Matter in Motion: A Föld változó gravitációja
By Laura Naranjo
- Az adatokról
- A PO.DAAC-ról
- Download PDF
A legenda szerint Isaac Newton felfedezte a gravitációt, miután meglátott egy almát leesni a fáról. A “gravitas” (latinul “súly”) szóval írta le azt az alapvető erőt, amely a tárgyakat a Földhöz rögzíti. Azóta a tudósok a Föld gravitációjának térképeit használják a vízelvezető rendszerek tervezéséhez, az úthálózatok kialakításához és a földfelszínek felméréséhez. Newton azonban valószínűleg nem gondolta, hogy a gravitáció új információkat tárhat fel a globális hidrológiai ciklusról.
Tradicionálisan a tudósok a gravitációs térképeket szárazföldi mérések, hajófelvételek és újabban a távérzékelés kombinációjával készítették. Ezek a mérések azonban nem voltak elég pontosak ahhoz, hogy megragadják a vízmozgásban bekövetkező apró változásokat, amelyek miatt a gravitáció idővel változik. Egy új műholdas küldetés segítségével a tudósok most már meg tudják mérni a vizet, miközben az a Föld körül kering, és ezeket a méréseket összefüggésbe tudják hozni a tengerszint, a talajnedvesség és a jégtakaró változásaival.
A gravitációs változások jobb felmérésére egy mérnökökből és tudósokból álló nemzetközi csapat kifejlesztette a Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) küldetést. A 2002 márciusában a NASA és a Német Űrkutatási Központ (Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt) közös vállalkozásaként elindított küldetés a Texasi Egyetem Űrkutatási Központja, a GeoforschungZentrum (Németország Nemzeti Földtudományi Kutatóközpontja) és a NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL) együttműködésével valósult meg.
A GRACE-misszió vezető és követő műholdja közötti távolság változásának mérésével a tudósok meg tudják határozni a Föld gravitációjának változását. (A kép a NASA Jet PropulsionLaboratórium jóvoltából)
A GRACE két egyforma, körülbelül autó méretű műholdra támaszkodik. Miközben a műholdak egymástól mintegy 220 kilométerre, egymást követve repülnek, egy mikrohullámú távolságmérő rendszer egy mikronnyi – egy vörösvérsejtnél is kisebb – pontossággal figyeli a köztük lévő távolságot. A tudósok a gravitációt a Föld felszínén bárhol feltérképezhetik a két műhold közötti távolság apró változásainak mérésével, ahogy a gravitációs erő hatására az egyes műholdak felgyorsulnak és lelassulnak.
A NASA kaliforniai Pasadenában található Physical Oceanography Distributed Active Archive Center (PO.DAAC) és a GeoForschungZentrum Információs Rendszer és Adatközpont (GFZ/ISDC) által archivált GRACE-adatok megváltoztatják a tudósok és a modellezők gravitációról alkotott képét. A GRACE olyan havi térképeket szolgáltat, amelyek a korábbi térképeknél legalább 100-szor pontosabban mutatják be a Föld gravitációs mezejének változásait. “Az a klasszikus elképzelés, miszerint a gravitációt egyszer kell megmérni, már nem elfogadott. A gravitáció egy olyan elem, amelyet a tudósoknak továbbra is figyelemmel kell kísérniük” – mondta Byron Tapley, az Űrkutatási Központ igazgatója és a GRACE-küldetés vezető kutatója.
Mivel a tudósok nem látják, nem érzik, vagy nem tudják közvetlenül megfigyelni a gravitációs erőket, a Föld gravitációját egy matematikai modell segítségével térképezik fel, amely egy képzeletbeli gömbfelületet, a geoidot írja le. A geoid az óceánokat sima, folytonos felületként ábrázolja, amelyet nem befolyásolnak az árapályok, a szelek és az áramlatok. Ez egy helyileg vízszintes felületet hoz létre, amelyhez képest a tudósok meg tudják mérni a gravitáció lefelé irányuló vonzását.
A gravitációt az határozza meg, hogy egy adott anyagnak mekkora a tömege, tehát minél nagyobb egy tárgy tömege, annál erősebb a gravitációs vonzása. Például a gránit nagyon sűrű, nagy tömegű anyag, ezért nagyobb vonzerőt fejt ki, mint ugyanolyan térfogatú, kevésbé sűrű anyag, például víz. A Föld tömege eloszlik a különböző domborzati formák és jellegzetességek — például hegyvonulatok, óceánok és mélytengeri árkok — között, amelyek mind különböző tömegűek, ami egyenetlen gravitációs mezőt hoz létre.
A Gravity Recovery andClimate Experiment (GRACE) misszió adatainak felhasználásával készült térkép a Föld gravitációs mezejének eltéréseit mutatja. A sötétkék területek a normálisnál alacsonyabb gravitációjú területeket jelzik, mint például az Indiai-óceán (a kép jobb szélén) és a Kongó folyó medencéje Afrikában. A sötét piros területek a normálisnál nagyobb gravitációval rendelkező területeket jelzik. A kép bal alsó részén kiálló hosszú piros dudor az Andok hegységet jelzi Dél-Amerikában, míg a kép jobb felső részén lévő piros dudor a Himalája hegységet jelzi Ázsiában. (A képet a University ofTexas Center for Space Research készítette a NASA Jet Propulsion Laboratory-val és a németországi Potsdamban található GeoForschungsZentrummal közös adatelemzési munka részeként)
Következésképpen a geoid nem alkot tökéletes gömböt, és a geoidon alapuló térképeken a Föld gravitációs mezeje dudorokat és mélyedéseket mutat. “Mivel a Föld mélyén az anyagok eloszlása változó, a gravitációs mezője dombokat és völgyeket mutat. Az óceán igyekszik e dombos felszín mentén feküdni” – mondta Michael Watkins, a GRACE projekt tudósa a JPL-nél. Például az óceán felszíne India csücskénél mintegy 200 méterrel közelebb van a Föld magjához, mint a Borneó közelében lévő óceán felszíne. Dagályok, áramlatok és szél nélkül az óceán felszíne a geoid dombjait és völgyeit követné, ami a Föld gravitációs erejének változásait tükrözné.
“A Föld gravitációs mezeje egyik hónapról a másikra változik, főként a felszínen mozgó víztömeg miatt” – mondta Watkins. “Mivel a víznek minden formájában van tömege és súlya, ténylegesen meg tudjuk mérni az óceán mozgását. Mérhetjük az esőzéseket, és mérhetjük a sarki jégsapkák változásait.”
Ez az ábra a hidrológiai ciklust szemlélteti, és megmutatja, hogyan kering a víz a Föld felszíne felett, alatt és felett. A GRACE adatai új édesvízforrások azonosításához vezethetnek a Föld száraz területein. (A kép a NASA Goddard Űrrepülési Központ jóvoltából)
A GRACE megfigyeli a Föld hidrológiai ciklusát, és lehetővé teszi a tudósok számára, hogy nyomon kövessék, hogyan párolog el a víz a légkörbe, esik a szárazföldre eső vagy hó formájában, vagy folyik le az óceánba. “A GRACE által észlelt legnagyobb édesvízi hidrológiai események az esőzések lefolyása a nagyobb folyómedencékben, mint például az Amazonas, és a monszunciklus Indiában” – mondta Tapley.
A tengerszint-változások megismeréséhez kulcsfontosságú annak megállapítása, hogy mennyi víz kerül az óceánokba. Más távérzékelő műszerek képesek megfigyelni a tengerszint változását, de nem tudnak különbséget tenni a hőtágulás (amikor a melegebb víz tágul) és az óceánba kerülő további tömegek között. “A GRACE csak a tengerszint változásának arra a részére érzékeny, amely a hozzáadott víztömegnek köszönhető” – mondta Don Chambers, a Center for Space Research kutatója. “A legtöbb modell azt feltételezi, hogy az óceán teljes tömege állandó – hogy nem adnak hozzá vizet vagy vesznek el belőle. A GRACE mérésekkel a modellezőknek figyelembe kell venniük a tömeg ingadozását.”
A tengerszint változásának pontosabb bemutatása fontos az olyan alacsonyan fekvő országok számára, mint Tuvalu. A Csendes-óceánban, Hawaii és Ausztrália között fekvő ország kilenc szigetből és atollból (gyűrűszerű korallszigetek, amelyek egy lagúnát zárnak körül) áll. Mivel azonban a szigetek legmagasabb pontjukon mindössze 5 méterrel vannak a tengerszint felett, az óceánok emelkedésével szemben sebezhetőek. A GRACE adatai hosszú távú éghajlati trendeket tárhatnak fel, amelyek hatással lehetnek a tengerszint változásaira.
A GRACE a földfelszíni víztömeg változásainak mérésén túl a föld alatti nagyméretű nedvességváltozásokat is képes kimutatni. Például a 2002-es oroszországi és a 2003-as európai rekordhőhullámok idején a GRACE adatai lehetővé tették a tudósok számára, hogy megmérjék a talajból elpárolgó nedvesség mennyiségét ezekben a nagyon száraz időszakokban. Ez a képesség a hidrológusokat is figyelmezteti a víztartó rétegekben és a föld alatti vízkészletekben bekövetkező változásokra. “Nagyon nehéz mérni, hogy mennyi víz van a föld mélyén, és hogy ez mennyire változik egyik évről a másikra. A GRACE egyike azon kevés eszközöknek, amelyekkel ezt megtehetjük” – mondta Watkins. “Segíthet megérteni a helyi hidrológiát, az evapotranspirációt, a csapadékot és a folyók lefolyását, és képet adhat arról, hogy mennyi víz áll rendelkezésre a Föld mélyén az öntözés és a mezőgazdaság számára” – mondta Watkins.
A Csendes-óceán számos atolljához hasonlóan a Cook-szigeteken található Aitutaki is csak néhány méterrel emelkedik a tengerszint fölé. Számos szigetország, mint például Tuvalu a Csendes-óceánon és a Maldív-szigetek az Indiai-óceánon, teljes egészében alacsonyan fekvő szigetekből és atollokból áll, ami különösen érzékennyé teszi őket a tengerszint emelkedésével szemben. (A kép Laurie J. Schmidt jóvoltából)
A tudósok a GRACE-adatokat a jégtakarók és nagy gleccserek formájában lévő fagyott víz felmérésére is használják. Isabella Velicogna, a Coloradói Egyetem kutatója a grönlandi jégtakaró tömegváltozását tanulmányozza. “A grönlandi évszakos ciklus egyes összetevői nem nagyon ismertek, mint például a jégkibocsátás és a jég alatti hidrológia. A GRACE látja ezeket a nehezen mérhető komponenseket” – mondta. Más műszerek, például a magasságmérők képesek meghatározni a jégtakaró magassági változásait, de a GRACE a teljes tömeget látja, figyelmeztetve a tudósokat arra, hogy mennyi jég és víz folyik le a jégtakaróról. “A GRACE olyan információkat szolgáltat, amelyeket egyetlen más műholdas műszerrel sem kaphatunk meg” – mondta Velicogna.
A két év adatainak elemzése után Velicogna egy hosszabb távú tendenciáról számolt be: a jégtakaró veszít a tömegéből. Bár más grönlandi kutatások is alátámasztják ezt a megállapítást, hozzátette, hogy a tudósoknak hosszabb idősoros adatokra van szükségük ahhoz, hogy megértsék, mi történik a jégtakaróval. Grönlandon mintegy 2 600 000 köbkilométernyi jég található, amelynek elolvadása esetén a tengerszint mintegy 6,5 méteres emelkedését eredményezné. A XIX. század vége óta az olvadó jégtakarók és gleccserek évtizedenként körülbelül 1-2 centiméterrel (0,3-0,7 hüvelyk) emelték a globális tengerszintet.
A régen elolvadt gleccserek is hatással vannak a mai tengerszintre. Például nagy jégtömeg borította a Hudson-öböl térségét az utolsó jégkorszak alatt, amely körülbelül 15 000 évvel ezelőtt ért véget. Most, a gleccserek súlya nélkül, az e terület alatti szárazföld lassan, évente körülbelül 1 centiméterrel emelkedik. Idővel ez a jégkorszak utáni visszahullás hatással van a regionális partvonalakra, ami megnehezíti az árapálymérők leolvasását és megnehezíti a globális tengerszint változásainak nyomon követését. A GRACE adatai lehetővé teszik a tudósok számára, hogy mérjék a jégkorszak utáni visszapattanásnak tulajdonítható változást, így könnyebb lesz meghatározni, hogy más tényezők – például a globális felmelegedés – milyen mértékben járulnak hozzá a tengerszint emelkedéséhez.
A kutatók a GRACE-t ötéves küldetésnek tervezték, de a tudósok reményei szerint akár 10 évig is gyűjthetnek adatokat. A küldetés élettartamának meghosszabbítása lehetővé teszi számukra, hogy a GRACE-adatok új alkalmazásait vizsgálják. “Kombináljuk a gravitációs méréseket más adatokkal, például a jégtakaró magasságméréséből vagy a radaros magasságmérésből származó adatokkal. De még mindig próbáljuk megérteni, hogy mit mondanak el nekünk ezek az adatok” – mondta Watkins. “Nagyon lenyűgöző mérnöki teljesítmény, hogy ilyen részletes méréseket tudunk végezni. A GRACE nagy felbontású gravitációs térképezést biztosít számunkra – ez egy úttörő távérzékelési eszköz.”
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 ofglobal ocean mass variations with GRACE. Geophysical Research Letters, 31,L13310, doi:10.1029/2004GL020461.
Bővebb információ
NASA Physical Oceanography Distributed Active Archive Center (PO.DAAC)
Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) website
GRACE fact sheet
GRACE Space Twins Set to Team up to Track Earth’s Water and Gravity
| A felhasznált távérzékelési adatokról | ||
|---|---|---|
| Satellite | Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) |
|
| Parameter | gravitációs változások | |
| DAAC | NASA Physical Oceanography Distributed Active Archive Center (PO.DAAC) | |