Matter in Motion: Earth’s Changing Gravity
By Laura Naranjo
- Over de gegevens
- Over PO.DAAC
- Download PDF
Volgens de legende ontdekte Isaac Newton de zwaartekracht nadat hij een appel van een boom had zien vallen. Met het woord “gravitas” (Latijn voor “gewicht”) beschreef hij de fundamentele kracht die ervoor zorgt dat voorwerpen aan de aarde blijven hangen. Sindsdien hebben wetenschappers kaarten van de zwaartekracht van de aarde gebruikt om afwateringssystemen te ontwerpen, wegennetten aan te leggen en landoppervlakken in kaart te brengen. Maar Newton had waarschijnlijk niet gedacht dat de zwaartekracht nieuwe informatie kon opleveren over de mondiale hydrologiecyclus.
Traditioneel construeerden wetenschappers zwaartekrachtkaarten met behulp van een combinatie van landmetingen, scheepsrecords, en meer recent, teledetectie. Deze metingen waren echter niet nauwkeurig genoeg om de kleine veranderingen in de waterbeweging, waardoor de zwaartekracht in de tijd varieert, vast te leggen. Met behulp van een nieuwe satellietmissie kunnen wetenschappers nu water wegen terwijl het over de aarde circuleert en deze metingen in verband brengen met veranderingen in de zeespiegel, bodemvochtigheid en ijskappen.
Om deze variaties in de zwaartekracht beter te kunnen beoordelen, heeft een internationaal team van ingenieurs en wetenschappers de Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) missie ontwikkeld. De missie werd in maart 2002 gelanceerd als een joint venture tussen de NASA en het Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt (Duitse ruimtevaartcentrum), en werd uitgevoerd door samenwerking tussen het University of Texas Center for Space Research, het GeoforschungZentrum (het Duitse nationale onderzoekscentrum voor geowetenschappen), en het NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL).
Door veranderingen in de afstand tussen de leidende satelliet en de volgsatelliet van de GRACE-missie te meten, kunnen wetenschappers veranderingen in de zwaartekracht van de aarde vaststellen. (Afbeelding met dank aan het Jet Propulsion Laboratorium van de NASA)
GRACE maakt gebruik van twee identieke satellieten, elk ongeveer zo groot als een auto. Terwijl de satellieten ongeveer 220 kilometer uit elkaar vliegen, de een na de ander, meet een microgolfmeetsysteem de onderlinge afstand tot op een micron nauwkeurig — kleiner dan een rode bloedcel. Wetenschappers kunnen de zwaartekracht overal op het aardoppervlak in kaart brengen door minieme veranderingen in de afstand tussen de twee satellieten te meten, aangezien elk van hen versnelt en vertraagt als reactie op de zwaartekracht.
Gearchiveerd in NASA’s Physical Oceanography Distributed Active Archive Center (PO.DAAC) in Pasadena, Californië, en het GeoForschungZentrum Information System and Data Center (GFZ/ISDC), veranderen GRACE-gegevens de manier waarop wetenschappers en modelleurs naar de zwaartekracht kijken. GRACE levert maandelijkse kaarten op die ten minste 100 keer nauwkeuriger zijn dan eerdere kaarten wat betreft veranderingen in het zwaartekrachtsveld van de aarde. “Het klassieke idee dat zwaartekracht iets is dat je één keer meet, wordt niet langer geaccepteerd. Zwaartekracht is een element dat wetenschappers in de gaten moeten blijven houden,” aldus Byron Tapley, directeur van het Center for Space Research en hoofdonderzoeker voor de GRACE-missie.
Omdat wetenschappers zwaartekrachtkrachten niet kunnen zien, voelen of direct kunnen waarnemen, brengen zij de zwaartekracht van de aarde in kaart met behulp van een wiskundig model dat een denkbeeldig bolvormig oppervlak beschrijft, de geoïde genaamd. De geoïde stelt oceanen voor als gladde, ononderbroken oppervlakken die niet worden beïnvloed door getijden, winden of stromingen. Het creëert een plaatselijk horizontaal oppervlak waartegen wetenschappers de neerwaartse aantrekkingskracht van de zwaartekracht kunnen meten.
De zwaartekracht wordt bepaald door de massa van een bepaald materiaal, dus hoe meer massa een voorwerp heeft, des te sterker is de aantrekkingskracht van de zwaartekracht. Zo is graniet een zeer dicht materiaal met een grote massa, zodat het een grotere aantrekkingskracht zal uitoefenen dan hetzelfde volume van een minder dicht materiaal, zoals water. De massa van de aarde is verdeeld over verschillende landvormen en kenmerken – zoals bergketens, oceanen en diepe zeegaten – die allemaal een verschillende massa hebben, waardoor een ongelijk zwaartekrachtsveld ontstaat.
Deze kaart, die is gemaakt met behulp van gegevens van de Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE)-missie, laat variaties in het zwaartekrachtsveld van de aarde zien. Donkerblauwe gebieden geven gebieden aan met een lagere zwaartekracht dan normaal, zoals de Indische Oceaan (uiterst rechts op de afbeelding) en het Congobekken in Afrika. Donkere rode gebieden geven gebieden aan met een hogere zwaartekracht dan normaal. De lange rode bult die linksonder uitsteekt, geeft het Andesgebergte in Zuid-Amerika aan, terwijl de rode bult rechtsboven het Himalayagebergte in Azië aangeeft. (Afbeelding gemaakt door het Centrum voor Ruimteonderzoek van de Universiteit van Texas als onderdeel van een gezamenlijke inspanning voor gegevensanalyse met het Jet Propulsion Laboratory van de NASA en het GeoForschungsZentrum in Potsdam, Duitsland)
Dientengevolge vormt de geoïde geen perfecte bol, en in kaarten die op de geoïde zijn gebaseerd, vertoont het zwaartekrachtsveld van de aarde uitstulpingen en depressies. “Omdat de verdeling van materialen diep in de aarde varieert, heeft het zwaartekrachtsveld heuvels en dalen. De oceaan probeert langs dat heuvelachtige oppervlak te liggen,” aldus Michael Watkins, GRACE-projectwetenschapper bij JPL. Het oceaanoppervlak bij de punt van India ligt bijvoorbeeld ongeveer 200 meter dichter bij de kern van de aarde dan het oceaanoppervlak bij Borneo. Zonder getijden, stromingen en wind zou het oceaanoppervlak de heuvels en dalen van de geoïde volgen, die de variaties in de sterkte van de zwaartekracht van de aarde weerspiegelen.
“Het zwaartekrachtsveld van de aarde verandert van maand tot maand, voornamelijk door de massa van het water dat zich aan het oppervlak beweegt,” zei Watkins. “Omdat water in al zijn vormen massa en gewicht heeft, kunnen we de oceaan in beweging wegen. We kunnen regenval wegen en we kunnen veranderingen in de ijskappen van de polen wegen.”
Dit diagram illustreert de hydrologische cyclus en laat zien hoe water over, onder en boven het aardoppervlak circuleert. GRACE-gegevens kunnen leiden tot de identificatie van nieuwe zoetwaterbronnen in dorre gebieden op aarde. (Afbeelding met dank aan NASA Goddard Space Flight Center)
GRACE observeert de hydrologische cyclus van de aarde en stelt wetenschappers in staat om te volgen hoe water verdampt in de atmosfeer, op het land valt in de vorm van regen of sneeuw, of wegstroomt in de oceaan. “De grootste hydrologische zoetwatergebeurtenissen die GRACE detecteert, zijn de neerslagafvloeiing in de grotere stroomgebieden, zoals de Amazone, en de moessoncyclus in India,” aldus Tapley.
Het detecteren van de hoeveelheid water die de oceanen binnenkomt, is essentieel om meer te weten te komen over veranderingen van het zeeniveau. Andere instrumenten voor teledetectie kunnen veranderingen van het zeeniveau waarnemen, maar zij kunnen geen onderscheid maken tussen thermische uitzetting (wanneer warmer water uitzet) en extra massa in de vorm van water dat aan de oceaan wordt toegevoegd. “GRACE is alleen gevoelig voor het deel van de zeespiegelverandering dat te wijten is aan de toevoeging van watermassa,” zegt Don Chambers, onderzoeker bij het Center for Space Research. “De meeste modellen gaan ervan uit dat de totale massa van de oceaan constant is – dat er geen water aan wordt toegevoegd of aan wordt onttrokken. Met GRACE-metingen zullen modelleurs rekening moeten houden met fluctuaties in de massa.”
De ontwikkeling van een nauwkeuriger verslag van de verandering van het zeeniveau is belangrijk voor laaggelegen landen zoals Tuvalu. Het land ligt in de Stille Oceaan tussen Hawaï en Australië en bestaat uit negen eilanden en atollen (ringvormige koraaleilanden die een lagune omsluiten). Maar omdat de eilanden op hun hoogste punt slechts 5 meter boven de zeespiegel uitsteken, zijn ze kwetsbaar voor stijgende oceanen. GRACE-gegevens kunnen klimaattendensen op lange termijn aan het licht brengen die van invloed kunnen zijn op veranderingen van het zeeniveau.
Naast het meten van veranderingen in de watermassa aan het aardoppervlak, kan GRACE ook grootschalige vochtigheidsveranderingen onder de grond detecteren. Tijdens recordhittegolven in Rusland in 2002 en in Europa in 2003 hebben wetenschappers met behulp van GRACE-gegevens bijvoorbeeld kunnen meten hoeveel vocht er tijdens die zeer droge perioden uit de bodem is verdampt. Dit vermogen zal ook hydrologen waarschuwen voor veranderingen in watervoerende lagen en ondergrondse watervoorraden. “Het is heel moeilijk te meten hoeveel water er diep in de grond zit en hoeveel dat van jaar tot jaar verandert. GRACE is een van de weinige instrumenten die we hebben om dat te doen,” zei Watkins. “Het kan ons helpen de lokale hydrologie, evapotranspiratie, neerslag en rivierafvoer te begrijpen, en het kan ons een idee geven van hoeveel water diep in de aarde beschikbaar is voor irrigatie en landbouw”, aldus Watkins.
Net als veel atollen in de Stille Oceaan rijst Aitutaki in de Cookeilanden slechts een paar meter boven de zeespiegel uit. Verschillende eilandstaten, zoals Tuvalu in de Stille Oceaan en de Malediven in de Indische Oceaan, bestaan volledig uit laaggelegen eilanden en atollen, waardoor ze bijzonder kwetsbaar zijn voor de stijgende zeespiegel. (Afbeelding met dank aan Laurie J. Schmidt)
Wetenschappers gebruiken GRACE-gegevens ook om bevroren water in de vorm van ijskappen en grote gletsjers in kaart te brengen. Isabella Velicogna, een onderzoekswetenschapper aan de Universiteit van Colorado, bestudeert massaveranderingen in de Groenlandse ijskap. “Sommige componenten van de seizoenscyclus in Groenland zijn niet erg goed begrepen, zoals ijsafvoer en subglaciale hydrologie. GRACE ziet een aantal van deze componenten die moeilijk te meten zijn,” zei ze. Andere instrumenten, zoals hoogtemeters, kunnen hoogteveranderingen in de ijskap bepalen, maar GRACE ziet de totale massa, waardoor wetenschappers weten hoeveel ijs en water er van de ijskap afstroomt. “GRACE geeft informatie die je van geen enkel ander satellietinstrument kunt krijgen,” zei Velicogna.
Na het analyseren van twee jaar gegevens, meldde Velicogna een trend op langere termijn: de ijskap verliest massa. Hoewel ander Groenland-onderzoek deze bevinding ondersteunt, voegde ze eraan toe dat wetenschappers een langere tijdreeks van gegevens nodig hebben om te begrijpen wat er met de ijskap gebeurt. Groenland bevat ongeveer 2.600.000 kubieke kilometer ijs, dat, als het zou smelten, zou leiden tot een zeespiegelstijging van ongeveer 6,5 meter (22 voet). Sinds het einde van de negentiende eeuw hebben smeltende ijskappen en gletsjers het mondiale zeeniveau met ongeveer 1 tot 2 centimeter per decennium doen stijgen.
Ook gletsjers die lang geleden zijn gesmolten, hebben invloed op het huidige zeeniveau. Zo bedekte een grote ijsmassa het gebied van de Hudson Baai tijdens de laatste ijstijd, die ongeveer 15.000 jaar geleden eindigde. Nu, zonder het gewicht van de gletsjers, komt het land onder dat gebied langzaam weer omhoog met een snelheid van ongeveer 1 centimeter per jaar. Na verloop van tijd beïnvloedt deze postglaciale opleving de regionale kustlijnen, waardoor de metingen van de getijdemeters worden bemoeilijkt en het moeilijker wordt om veranderingen van het mondiale zeeniveau te volgen. Met de gegevens van GRACE kunnen wetenschappers de verandering meten die kan worden toegeschreven aan postglaciale opleving, waardoor het gemakkelijker wordt om te bepalen hoeveel andere factoren – zoals de opwarming van de aarde – bijdragen aan de stijging van de zeespiegel.
Onderzoekers hebben GRACE ontworpen als een missie van vijf jaar, maar wetenschappers hopen gegevens te verzamelen voor maximaal tien jaar. Door de missie te verlengen, kunnen ze nieuwe toepassingen voor GRACE-gegevens onderzoeken. “We combineren zwaartekrachtmetingen met andere gegevens, zoals die van ijskaphoogtemetingen of radarhoogtemetingen. Maar we proberen nog steeds te begrijpen wat al deze gegevens ons vertellen,” zei Watkins. “Het is een zeer indrukwekkende technische prestatie dat we zulke gedetailleerde metingen kunnen doen. GRACE geeft ons een hoge-resolutie zwaartekracht kartering – het is een baanbrekend remote sensing instrument.”
Tapley, B.D., S. Bettadpur, M. Watkins, and C. Reigber.2004. The gravity recovery and climate experiment: mission overview and earlyresults. Geophysical Research Letters, 31, L09607, doi:10.1029/2004GL019920.
Chambers, D.P., J. Wahr, and R.S. Nerem. 2004. Preliminary observations of global ocean mass variations with GRACE. Geophysical Research Letters, 31,L13310, doi:10.1029/2004GL020461.
Voor meer informatie
NASA Physical Oceanography Distributed Active Archive Center (PO.DAAC)
Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) website
GRACE factsheet
GRACE Space Twins Set to Team up to Track Earth’s Water and Gravity
| Over de gebruikte teledetectiegegevens | ||
|---|---|---|
| Satelliet | Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) |
|
| Parameter | zwaartekrachtvariaties | |
| DAAC | NASA Physical Oceanography Distributed Active Archive Center (PO.DAAC) | |