Materia in movimento: Earth’s Changing Gravity
By Laura Naranjo
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Secondo la leggenda, Isaac Newton ha scoperto la gravità dopo aver visto una mela cadere da un albero. Usando la parola “gravitas” (latino per “peso”), ha descritto la forza fondamentale che mantiene gli oggetti ancorati alla Terra. Da allora, gli scienziati hanno usato le mappe della gravità terrestre per progettare sistemi di drenaggio, tracciare reti stradali e rilevare le superfici terrestri. Ma Newton probabilmente non immaginava che la gravità potesse rivelare nuove informazioni sul ciclo idrologico globale.
Tradizionalmente, gli scienziati costruivano mappe di gravità usando una combinazione di misurazioni terrestri, registrazioni navali e, più recentemente, telerilevamento. Tuttavia, queste misurazioni non erano abbastanza accurate per catturare i leggeri cambiamenti nel movimento dell’acqua che fanno variare la gravità nel tempo. Con l’aiuto di una nuova missione satellitare, gli scienziati possono ora pesare l’acqua mentre circola intorno al globo e mettere in relazione queste misurazioni con i cambiamenti del livello del mare, dell’umidità del suolo e degli strati di ghiaccio.
Per valutare meglio queste variazioni di gravità, un team internazionale di ingegneri e scienziati ha sviluppato la missione Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE). Lanciata nel marzo 2002 come joint venture tra la NASA e il Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt (Centro Aerospaziale Tedesco), la missione è stata implementata attraverso la collaborazione tra l’Università del Texas Center for Space Research, il GeoforschungZentrum (Centro Nazionale di Ricerca Tedesco per le Geoscienze), e il Jet Propulsion Laboratory (JPL) della NASA.
Misurando i cambiamenti nella distanza tra il satellite principale e quello secondario della GRACEmission, gli scienziati possono determinare i cambiamenti nella gravità della Terra. (Immagine per gentile concessione del Jet PropulsionLaboratory della NASA)
GRACE si basa su due satelliti identici, ciascuno delle dimensioni di un’automobile. Mentre i satelliti volano a circa 220 chilometri di distanza l’uno dall’altro, uno dopo l’altro, un sistema a microonde controlla la distanza tra loro fino a un micron, più piccolo di un globulo rosso. Gli scienziati possono mappare la gravità in qualsiasi punto della superficie terrestre misurando minuscoli cambiamenti nella distanza tra i due satelliti mentre ognuno di loro accelera e rallenta in risposta alla forza gravitazionale.
Archiviato presso il Physical Oceanography Distributed Active Archive Center (PO.DAAC) della NASA a Pasadena, California, e il GeoForschungZentrum Information System and Data Center (GFZ/ISDC), i dati di GRACE stanno cambiando il modo in cui gli scienziati e i modellisti vedono la gravità. GRACE fornisce mappe mensili che sono almeno 100 volte più accurate delle mappe precedenti nel dettagliare i cambiamenti nel campo gravitazionale della Terra. “L’idea classica che la gravità sia qualcosa che si misura una volta sola non è più accettata. La gravità è un elemento che gli scienziati devono continuare a monitorare”, ha detto Byron Tapley, direttore del Center for Space Research e ricercatore principale della missione GRACE.
Perché gli scienziati non possono vedere, sentire o osservare direttamente le forze gravitazionali, mappano la gravità della Terra usando un modello matematico che descrive una superficie sferica immaginaria chiamata geoide. Il geoide rappresenta gli oceani come superfici lisce e continue non influenzate da maree, venti o correnti. Crea una superficie localmente orizzontale contro la quale gli scienziati possono misurare l’attrazione verso il basso della gravità.
La gravità è determinata da quanta massa ha un dato materiale, quindi più massa ha un oggetto, più forte è la sua attrazione gravitazionale. Per esempio, il granito è un materiale molto denso con un alto livello di massa, quindi eserciterà un’attrazione maggiore rispetto allo stesso volume di un materiale meno denso, come l’acqua. La massa della Terra è distribuita tra varie forme di terreno e caratteristiche – come le catene montuose, gli oceani e le fosse marine profonde – che hanno tutte una massa diversa, il che crea un campo di gravità non uniforme.
Questa mappa, creata utilizzando i dati della missione Gravity Recovery andClimate Experiment (GRACE), rivela le variazioni nel campo di gravità della Terra. Le aree blu scuro mostrano aree con gravità inferiore al normale, come l’Oceano Indiano (all’estrema destra dell’immagine) e il bacino del fiume Congo in Africa. Le zone rosse scure indicano aree con una gravità più alta del normale. La lunga protuberanza rossa che sporge dal lato inferiore sinistro dell’immagine indica le Ande in Sud America, mentre la protuberanza rossa sul lato superiore destro dell’immagine indica le montagne dell’Himalaya in Asia. (Immagine preparata dall’Università del Texas Center for Space Research come parte di uno sforzo collaborativo di analisi dei dati con il Jet Propulsion Laboratory della NASA e il GeoForschungsZentrum di Potsdam, Germania)
Di conseguenza, il geoide non forma una sfera perfetta, e nelle mappe basate sul geoide, il campo di gravità della Terra mostra rigonfiamenti e depressioni. “Poiché la distribuzione dei materiali nelle profondità della Terra varia, il suo campo gravitazionale ha colline e valli. L’oceano cerca di adagiarsi lungo quella superficie collinare”, ha detto Michael Watkins, scienziato del progetto GRACE al JPL. Per esempio, la superficie dell’oceano al largo della punta dell’India è circa 200 metri (650 piedi) più vicina al nucleo della Terra rispetto alla superficie dell’oceano vicino al Borneo. Senza le maree, le correnti e il vento, la superficie dell’oceano seguirebbe le colline e le valli del geoide, riflettendo le variazioni nella forza della forza gravitazionale della Terra.
“Il campo gravitazionale della Terra cambia da un mese all’altro principalmente a causa della massa d’acqua che si muove sulla superficie”, ha detto Watkins. “Poiché l’acqua in tutte le sue forme ha massa e peso, possiamo effettivamente pesare l’oceano che si muove. Possiamo pesare le precipitazioni, e possiamo pesare i cambiamenti nelle calotte polari.”
Questo diagramma illustra il ciclo idrologico e mostra come l’acqua circola sopra, sotto e sopra la superficie della Terra. I dati di GRACE possono portare all’identificazione di nuove fonti di acqua dolce nelle regioni aride della Terra. (Immagine per gentile concessione del NASA Goddard Space Flight Center)
GRACE osserva il ciclo idrologico della Terra e permette agli scienziati di seguire l’acqua mentre evapora nell’atmosfera, cade sulla terra sotto forma di pioggia o neve, o scorre via nell’oceano. “I maggiori eventi idrologici d’acqua dolce che GRACE rileva sono il deflusso delle piogge nei bacini fluviali più grandi, come l’Amazzonia, e il ciclo dei monsoni in India”, ha detto Tapley.
Rilevare quanta acqua entra negli oceani è la chiave per conoscere i cambiamenti del livello del mare. Altri strumenti di telerilevamento possono osservare il cambiamento del livello del mare, ma non possono discriminare tra l’espansione termica (quando l’acqua più calda si espande) e la massa aggiuntiva sotto forma di acqua aggiunta all’oceano. “GRACE è sensibile solo alla parte del cambiamento del livello del mare che è dovuto all’aggiunta di massa d’acqua”, ha detto Don Chambers, ricercatore del Centro di Ricerca Spaziale. “La maggior parte dei modelli assume che la massa totale dell’oceano sia costante – che non ci sia acqua aggiunta o sottratta. Con le misurazioni di GRACE, i modellisti dovranno tenere conto delle fluttuazioni della massa”.”
Sviluppare un resoconto più accurato del cambiamento del livello del mare è importante per i paesi a bassa quota come Tuvalu. Situato nell’Oceano Pacifico tra le Hawaii e l’Australia, il paese è una combinazione di nove isole e atolli (isole coralline ad anello che racchiudono una laguna). Ma poiché le isole raggiungono solo 5 metri (16 piedi) sopra il livello del mare nel loro punto più alto, sono vulnerabili all’aumento degli oceani. I dati di GRACE possono rivelare tendenze climatiche a lungo termine che possono influenzare i cambiamenti del livello del mare.
Oltre a misurare i cambiamenti della massa d’acqua sulla superficie terrestre, GRACE può rilevare cambiamenti di umidità su larga scala nel sottosuolo. Per esempio, durante le ondate di calore record in Russia nel 2002 e in Europa nel 2003, i dati GRACE hanno permesso agli scienziati di misurare la quantità di umidità che è evaporata dal suolo durante quei periodi molto secchi. Questa capacità avviserà anche gli idrologi dei cambiamenti nelle falde acquifere e nelle riserve d’acqua sotterranee. “È molto difficile misurare quanta acqua c’è in profondità nel terreno e quanto cambia da un anno all’altro. GRACE è uno dei pochi strumenti che abbiamo per farlo”, ha detto Watkins. “Può aiutarci a capire l’idrologia locale, l’evapotraspirazione, le precipitazioni e il deflusso dei fiumi, e può darci un’idea di quanta acqua è disponibile in profondità nella Terra per l’irrigazione e l’agricoltura”, ha detto Watkins.
Come molti atolli nell’Oceano Pacifico, Aitutaki nelle Isole Cook sorge solo pochi metri sul livello del mare. Diverse nazioni insulari, come Tuvalu nell’Oceano Pacifico e le Maldive nell’Oceano Indiano, sono composte interamente da isole e atolli bassi, il che le rende particolarmente vulnerabili all’aumento del livello del mare. (Immagine per gentile concessione di Laurie J. Schmidt)
Gli scienziati stanno anche utilizzando i dati GRACE per rilevare l’acqua congelata sotto forma di lastre di ghiaccio e grandi ghiacciai. Isabella Velicogna, ricercatrice dell’Università del Colorado, studia i cambiamenti di massa della calotta glaciale della Groenlandia. “Alcune componenti del ciclo stagionale in Groenlandia non sono molto ben comprese, come lo scarico del ghiaccio e l’idrologia subglaciale. GRACE vede alcune di queste componenti che sono difficili da misurare”, ha detto. Altri strumenti, come gli altimetri, possono determinare i cambiamenti di altitudine nello strato di ghiaccio, ma GRACE vede la massa totale, allertando gli scienziati su quanto ghiaccio e acqua stanno defluendo dallo strato di ghiaccio. “GRACE fornisce informazioni che non si possono ottenere da nessun altro strumento satellitare”, ha detto Velicogna.
Dopo aver analizzato due anni di dati, Velicogna ha segnalato una tendenza a lungo termine: lo strato di ghiaccio sta perdendo massa. Anche se altre ricerche sulla Groenlandia supportano questa scoperta, ha aggiunto che gli scienziati hanno bisogno di una serie di dati più lunga per capire cosa sta succedendo alla calotta di ghiaccio. La Groenlandia detiene circa 2.600.000 chilometri cubi di ghiaccio, che, se sciolto, comporterebbe un aumento del livello del mare di circa 6,5 metri (22 piedi). Dalla fine del diciannovesimo secolo, lo scioglimento degli strati di ghiaccio e dei ghiacciai ha aumentato il livello globale del mare di circa 1 o 2 centimetri (da 0,3 a 0,7 pollici) per decennio.
Anche i ghiacciai che si sono sciolti molto tempo fa influenzano il livello del mare oggi. Per esempio, una grande massa di ghiaccio copriva l’area della baia di Hudson durante l’ultima era glaciale, che finì circa 15.000 anni fa. Ora, senza il peso dei ghiacciai, la terra sotto quell’area sta lentamente rimbalzando al ritmo di circa 1 centimetro (0,3 pollici) all’anno. Nel tempo, questo rimbalzo postglaciale influisce sulle linee di costa regionali, complicando le letture dei mareografi e rendendo più difficile monitorare i cambiamenti del livello globale del mare. I dati di GRACE permetteranno agli scienziati di misurare il cambiamento che può essere attribuito al rimbalzo postglaciale, rendendo più facile determinare quanto altri fattori – come il riscaldamento globale – contribuiscono all’aumento del livello del mare.
Gli investigatori hanno progettato GRACE come una missione di cinque anni, ma gli scienziati sperano di raccogliere dati fino a 10 anni. Continuare la vita della missione permetterà loro di esplorare nuove applicazioni per i dati di GRACE. “Stiamo combinando le misure di gravità con altri dati, come quelli dell’altimetria delle lastre di ghiaccio o dell’altimetria radar. Ma stiamo ancora cercando di capire cosa ci dicono tutti questi dati”, ha detto Watkins. “È una realizzazione ingegneristica davvero impressionante quella che ci permette di fare misurazioni così dettagliate. GRACE ci dà una mappatura ad alta risoluzione della gravità – è uno strumento pionieristico di telerilevamento.”
Tapley, B.D., S. Bettadpur, M. Watkins, e C. Reigber.2004. L’esperimento di recupero della gravità e del clima: panoramica della missione e primi risultati. Geophysical Research Letters, 31, L09607, doi:10.1029/2004GL019920.
Chambers, D.P., J. Wahr, and R.S. Nerem. 2004. Osservazioni preliminari delle variazioni della massa oceanica globale con GRACE. Geophysical Research Letters, 31,L13310, doi:10.1029/2004GL020461.
Per maggiori informazioni
NASA Physical Oceanography Distributed Active Archive Center (PO.DAAC)
Sito web del Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE)
Foglio informativo di GRACE
Grace Space Twins Set to Team up to Track Earth’s Water and Gravity
| Sui dati di telerilevamento utilizzati | ||
|---|---|---|
| Satellite | Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) |
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| Parametro | variazioni di gravità | |
| DAAC | NASA Physical Oceanography Distributed Active Archive Center (PO.DAAC) | |