Matter in Motion: Earth’s Changing Gravity
Tekijä Laura Naranjo
- Tietoa aineistosta
- Tietoa PO.DAAC:sta
- Lataa PDF-tiedosto
Legendan mukaan Isaac Newton löysi painovoiman nähtyään omenan putoavan puusta. Käyttämällä sanaa ”gravitas” (latinaksi ”paino”) hän kuvaili perusvoimaa, joka pitää esineet ankkuroituneina Maahan. Siitä lähtien tiedemiehet ovat käyttäneet maapallon painovoimaa kuvaavia karttoja viemäröintijärjestelmien suunnittelussa, tieverkostojen suunnittelussa ja maanpintojen kartoituksessa. Newton ei kuitenkaan luultavasti kuvitellut, että painovoima voisi paljastaa uutta tietoa maailmanlaajuisesta hydrologian kiertokulusta.
Perinteisesti tutkijat ovat rakentaneet painovoimakarttoja yhdistelemällä maamittauksia, laivatallenteita ja viime aikoina myös kaukokartoitusta. Nämä mittaukset eivät kuitenkaan olleet tarpeeksi tarkkoja, jotta ne pystyivät kuvaamaan veden liikkeessä tapahtuvia pieniä muutoksia, jotka aiheuttavat painovoiman vaihtelua ajan myötä. Uuden satelliittilennon avulla tutkijat voivat nyt punnita vettä, kun se kiertää maapalloa, ja suhteuttaa nämä mittaukset merenpinnan, maaperän kosteuden ja jääpeitteiden muutoksiin.
Voidakseen paremmin arvioida näitä painovoiman vaihteluita kansainvälinen insinööri- ja tutkijaryhmä kehitti Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) -lennon. Maaliskuussa 2002 NASA:n ja Saksan ilmailu- ja avaruuskeskuksen (Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt) yhteishankkeena käynnistetty operaatio toteutettiin Teksasin yliopiston avaruustutkimuskeskuksen (University of Texas Center for Space Research), Saksan geotieteiden tutkimuskeskuksen (GeoforschungZentrum) ja NASA:n suihkukoneidenkuljetuslaboratorion (Jet Propulsion Laboratory, JPL) yhteistyönä.
Mittaamalla GRACE-operaation johtavan satelliitin ja perässä kulkevan satelliitin välisessä etäisyydess{³”a} tapahtuvia muutoksia tiedemiehet pystyv{³”a}t selvitt{³”a}m{³”a}{³”a}m{³”a}{³”a}n muutoksia maapallon painovoiman voimakkuuden kehittymisessä. (Image courtesy of NASA Jet PropulsionLaboratorio)
GRACE perustuu kahteen samanlaiseen satelliittiin, joista kumpikin on noin auton kokoinen. Kun satelliitit lentävät noin 220 kilometrin (137 mailin) etäisyydellä toisistaan toisiaan seuraten, mikroaaltomittausjärjestelmä tarkkailee niiden välistä etäisyyttä mikronin tarkkuudella – joka on pienempi kuin punasolu. Tutkijat voivat kartoittaa painovoimaa missä tahansa maan pinnalla mittaamalla kahden satelliitin välisen etäisyyden pieniä muutoksia, kun kumpikin niistä nopeutuu ja hidastuu painovoiman vaikutuksesta.
Kalifornian Pasadenassa sijaitsevaan NASAn Physical Oceanography Distributed Active Archive Centeriin (PO.DAAC) ja GeoForschungZentrum Information System and Data Centeriin (GFZ/ISDC) arkistoidut GRACE-tiedot muuttavat tutkijoiden ja mallintajien tapaa tarkastella painovoimaa. GRACE tuottaa kuukausittaisia karttoja, jotka ovat vähintään 100 kertaa aiempia karttoja tarkempia kuvaamaan yksityiskohtaisesti muutoksia maapallon painovoimakentässä. ”Klassista ajatusta siitä, että painovoima on jotain, joka mitataan kerran, ei enää hyväksytä. Gravitaatio on elementti, jota tutkijoiden on jatkossakin seurattava”, sanoo Byron Tapley, Avaruustutkimuskeskuksen johtaja ja GRACE-operaation päätutkija.
Koska tutkijat eivät voi nähdä, tuntea tai suoraan havainnoida gravitaatiovoimia, he kartoittavat maapallon painovoimaa matemaattisen mallin avulla, joka kuvaa kuviteltua pallonmuotoista pintaa nimeltä geoidi. Geoidi esittää valtameret sileinä, jatkuvina pintoina, joihin vuorovesi, tuulet tai virtaukset eivät vaikuta. Se luo paikallisesti vaakasuoran pinnan, jota vasten tutkijat voivat mitata painovoiman alaspäin suuntautuvaa vetovoimaa.
Gravitaatio määräytyy sen mukaan, kuinka paljon massaa tietyllä aineella on, joten mitä enemmän massaa esineellä on, sitä voimakkaampi on sen vetovoima. Esimerkiksi graniitti on hyvin tiheä materiaali, jolla on paljon massaa, joten se harjoittaa suurempaa vetovoimaa kuin sama tilavuus vähemmän tiheää materiaalia, kuten vettä. Maapallon massa jakaantuu erilaisten pinnanmuotojen ja piirteiden – kuten vuoristojyrkänteiden, valtamerten ja syvänmeren kaivantojen – kesken, joilla kaikilla on erilainen massa, mikä luo epätasaisen painovoimakentän.
Tämä kartta, joka on luotu Gravity Recovery andClimate Experiment (Gravity Recovery andClimate Experiment) -lentolennon (Gravity Recovery andClimate Experiment, GRACE) datan avulla, paljastaa maapallon painovoimakentän vaihteluita. Tummansiniset alueet osoittavat alueita, joilla painovoima on normaalia alhaisempi, kuten Intian valtameri (kuvan oikealla puolella) ja Kongo-joen vesistöalue Afrikassa. Tummat punaiset alueet osoittavat alueita, joilla painovoima on normaalia korkeampi. Kuvan vasemmassa alareunassa oleva pitkä punainen kuoppa osoittaa Etelä-Amerikassa sijaitsevia Andien vuoria, kun taas kuvan oikeassa yläkulmassa oleva punainen kuoppa osoittaa Aasiassa sijaitsevia Himalajan vuoria. (Kuvan on laatinut The University ofTexas Center for Space Research osana yhteistoiminnallista data-analyysiä NASA:n Jet Propulsion Laboratorion ja Saksan Potsdamissa sijaitsevan GeoForschungsZentrumin kanssa)
Näin ollen geoidi ei muodosta täydellistä palloa, ja geoidiin perustuvissa kartoissa Maan painovoimakenttään on havaittavissa pullistumia ja painaumia. ”Koska materiaalien jakautuminen syvällä maapallon sisällä vaihtelee, sen painovoimakentässä on mäkiä ja laaksoja. Meri pyrkii asettumaan tuohon kumpuilevaan pintaan”, sanoo Michael Watkins, JPL:n GRACE-hankkeen tutkija Michael Watkins. Esimerkiksi Intian kärjen edustalla meren pinta on noin 200 metriä lähempänä Maan ydintä kuin meren pinta Borneon lähellä. Ilman vuorovesiä, virtauksia ja tuulta merenpinta seuraisi geoidin kukkuloita ja laaksoja, jotka heijastavat Maan vetovoiman voimakkuuden vaihtelua.
”Maan painovoimakenttä muuttuu kuukaudesta toiseen lähinnä pinnalla liikkuvan vesimassan vuoksi”, Watkins sanoi. ”Koska vedellä on kaikissa muodoissaan massaa ja painoa, voimme itse asiassa punnita meren liikettä. Voimme punnita sateet, ja voimme punnita muutokset napajäätiköissä.”
Tämä kaavio havainnollistaa hydrologista kiertokulkua ja osoittaa, miten vesi kiertää maapallon pinnalla, sen alla ja sen yläpuolella. GRACE-tiedot voivat johtaa uusien makean veden lähteiden tunnistamiseen maapallon kuivilla alueilla. (Image courtesy of NASA Goddard Space Flight Center)
GRACE tarkkailee maapallon hydrologista kiertokulkua, ja sen avulla tutkijat voivat seurata, miten vesi haihtuu ilmakehään, putoaa maalle sateen tai lumen muodossa tai valuu mereen. ”Suurimmat makean veden hydrologiset tapahtumat, jotka GRACE havaitsee, ovat sateiden valuminen suurilla jokialueilla, kuten Amazonin vesistöalueella, ja monsuunikierto Intiassa”, Tapley sanoi.
Merenpinnan muutosten selvittämiseksi on keskeistä havaita, kuinka paljon vettä pääsee valtameriin. Muilla kaukokartoituslaitteilla voidaan havainnoida merenpinnan muutosta, mutta niillä ei voida erottaa toisistaan lämpölaajenemista (kun lämpimämpi vesi laajenee) ja lisämassaa mereen lisättävän veden muodossa. ”GRACE on herkkä vain sille osalle merenpinnan muutoksesta, joka johtuu vesimassan lisäyksestä”, sanoo Don Chambers, avaruustutkimuskeskuksen tutkija. ”Useimmissa malleissa oletetaan, että valtameren kokonaismassa on vakio – että siihen ei lisätä vettä eikä sitä oteta pois. GRACE-mittausten avulla mallintajien on otettava huomioon massan vaihtelut.”
Merenpinnan muutoksen tarkemman kuvauksen kehittäminen on tärkeää Tuvalun kaltaisille matalalla sijaitseville maille. Tyynellämerellä Havaijin ja Australian välissä sijaitseva maa on yhdistelmä yhdeksää saarta ja atollia (rengasmaisia korallisaaria, jotka ympäröivät laguunin). Koska saaret ovat korkeimmillaan vain 5 metriä merenpinnan yläpuolella, ne ovat alttiita merenpinnan nousulle. GRACE-tiedot voivat paljastaa pitkän aikavälin ilmastotrendejä, jotka voivat vaikuttaa merenpinnan muutoksiin.
Sen lisäksi, että GRACE mittaa vesimassan muutoksia maan pinnalla, se voi havaita laajamittaisia kosteuden muutoksia maan alla. Esimerkiksi Venäjällä vuonna 2002 ja Euroopassa vuonna 2003 esiintyneiden ennätyksellisten helleaaltojen aikana tutkijat pystyivät GRACE-tietojen avulla mittaamaan maaperästä haihtuneen kosteuden määrän näiden erittäin kuivien jaksojen aikana. Tämä kyky varoittaa hydrologeja myös muutoksista pohjavesikerroksissa ja maanalaisissa vesivarastoissa. ”On hyvin vaikeaa mitata, kuinka paljon vettä on syvällä maaperässä ja kuinka paljon se muuttuu vuodesta toiseen. GRACE on yksi harvoista välineistä, joita meillä on tähän”, Watkins sanoi. ”Se voi auttaa meitä ymmärtämään paikallista hydrologiaa, haihduntaa, sademäärää ja jokien valumia, ja se voi antaa meille käsityksen siitä, kuinka paljon vettä on saatavilla syvällä maassa kasteluun ja maatalouteen”, Watkins sanoi.
Kuten monet Tyynellämerellä sijaitsevat atollit, myös Cookinsaarilla sijaitseva Aitutaki kohoaa vain muutaman metrin korkeuteen merenpinnasta. Useat saarivaltiot, kuten Tuvalu Tyynellämerellä ja Malediivit Intian valtamerellä, koostuvat kokonaan matalista saarista ja atolleista, mikä tekee niistä erityisen alttiita merenpinnan nousulle. (Image courtesy of Laurie J. Schmidt)
Tutkijat käyttävät GRACE-tietoja myös jäätyneen veden tutkimiseen jääpeitteiden ja suurten jäätiköiden muodossa. Coloradon yliopiston tutkija Isabella Velicogna tutkii Grönlannin jäätikön massamuutoksia. ”Joitakin Grönlannin kausikierron osatekijöitä ei tunneta kovin hyvin, kuten jään purkautumista ja jäätikön alapuolista hydrologiaa. GRACE näkee joitakin näistä osatekijöistä, joita on vaikea mitata”, hän sanoi. Muilla laitteilla, kuten korkeusmittareilla, voidaan määrittää jääpeitteen korkeusmuutokset, mutta GRACE näkee kokonaismassan ja ilmoittaa tutkijoille, kuinka paljon jäätä ja vettä jääpeitteestä valuu. ”GRACE tarjoaa tietoa, jota ei saa mistään muusta satelliittivälineestä”, sanoi Velicogna.
Kahden vuoden tietojen analysoinnin jälkeen Velicogna raportoi pidemmän aikavälin suuntauksen: jäätikkö menettää massaa. Vaikka muut Grönlannin tutkimukset tukevat tätä havaintoa, hän lisäsi, että tutkijat tarvitsevat pidemmän aikasarjan tietoja ymmärtääkseen, mitä jääpeitteelle tapahtuu. Grönlannissa on noin 2 600 000 kuutiokilometriä (624 000 kuutiomailia) jäätä, jonka sulaminen nostaisi merenpintaa noin 6,5 metriä (22 jalkaa). 1800-luvun loppupuolelta lähtien sulavat jäätiköt ja jäätiköt ovat nostaneet maapallon merenpintaa noin 1-2 senttimetriä vuosikymmenessä.
Jopa kauan sitten sulaneet jäätiköt vaikuttavat merenpinnan tasoon nykyään. Esimerkiksi suuri jäämassa peitti Hudson Bayn alueen viimeisen jääkauden aikana, joka päättyi noin 15 000 vuotta sitten. Nyt, ilman jäätiköiden painoa, kyseisen alueen alla oleva maa nousee hitaasti noin 1 senttimetrin vuosivauhdilla. Jääkauden jälkeinen palautuminen vaikuttaa ajan mittaan alueellisiin rannikoihin, mikä vaikeuttaa vuorovesimittareiden lukemia ja vaikeuttaa maailmanlaajuisen merenpinnan tason muutosten seuraamista. GRACEn tietojen avulla tutkijat voivat mitata muutoksen, joka johtuu jääkauden jälkeisestä palautumisesta, mikä helpottaa sen määrittämistä, kuinka paljon muut tekijät – kuten ilmaston lämpeneminen – vaikuttavat merenpinnan nousuun.
Tutkijat suunnittelivat GRACEn viiden vuoden mittaiseksi, mutta tutkijat toivovat voivansa kerätä tietoja jopa 10 vuoden ajan. Tehtävän keston jatkaminen antaa heille mahdollisuuden tutkia uusia sovelluksia GRACE-tiedoille. ”Yhdistämme painovoimamittauksia muihin tietoihin, kuten jääpeitteen korkeusmittauksesta tai tutka-altimetriasta saatuihin tietoihin. Yritämme kuitenkin vielä ymmärtää, mitä kaikki nämä tiedot kertovat meille”, Watkins sanoi. ”On erittäin vaikuttava tekninen saavutus, että voimme tehdä näin yksityiskohtaisia mittauksia. GRACE antaa meille korkean resoluution painovoimakartoituksen – se on uraauurtava kaukokartoitustyökalu.”
Tapley, B.D., S. Bettadpur, M. Watkins ja 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 ofglobal ocean mass variations with GRACE. Geophysical Research Letters, 31,L13310, doi:10.1029/2004GL020461.
Lisätietoja
NASA Physical Oceanography Distributed Active Archive Center (PO.DAAC)
Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) -verkkosivusto
GRACE-tietolehtinen
GRACE Space Twins Set to Team up to Track Earth’s Water and Gravity
| Käytetystä kaukokartoitusaineistosta | ||
|---|---|---|
| Satelliitti | Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) |
|
| Parametri | painovoiman vaihtelut | |
| DAAC | NASA:n fysikaalisen valtamerentutkimuksen hajautettu aktiivinen arkistokeskus (PO.DAAC) | |