Materia w ruchu: Earth’s Changing Gravity
By Laura Naranjo
- About the data
- About PO.DAAC
- Download PDF
Według legendy, Isaac Newton odkrył grawitację po obejrzeniu jabłka spadającego z drzewa. Używając słowa „gravitas” (łac. „ciężar”), opisał fundamentalną siłę, która utrzymuje obiekty zakotwiczone na Ziemi. Od tego czasu naukowcy wykorzystują mapy grawitacji Ziemi do projektowania systemów odwadniających, wytyczania sieci dróg i badania powierzchni ziemi. Ale Newton prawdopodobnie nie wyobrażał sobie, że grawitacja może ujawnić nowe informacje o globalnym cyklu hydrologicznym.
Tradycyjnie, naukowcy konstruowali mapy grawitacyjne używając kombinacji pomiarów lądowych, zapisów statków, a ostatnio teledetekcji. Jednak te pomiary nie były wystarczająco dokładne, aby uchwycić niewielkie zmiany w ruchu wody, które powodują, że grawitacja zmienia się w czasie. Z pomocą nowej misji satelitarnej, naukowcy mogą teraz ważyć wodę, gdy krąży ona wokół globu i odnosić te pomiary do zmian poziomu morza, wilgotności gleby i pokrywy lodowej.
Aby lepiej ocenić te zmiany grawitacji, międzynarodowy zespół inżynierów i naukowców opracował misję Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE). Wystrzelona w marcu 2002 roku jako wspólne przedsięwzięcie NASA i Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt (Niemieckie Centrum Lotnictwa i Kosmonautyki), misja została zrealizowana dzięki współpracy pomiędzy Centrum Badań Kosmicznych Uniwersytetu Teksańskiego, GeoforschungZentrum (niemieckie Narodowe Centrum Badań Nauk Geologicznych) i Laboratorium Napędu Odrzutowego NASA (JPL).
Przez pomiar zmian w odległości pomiędzy satelitą prowadzącym i śledzącym misji GRACE, naukowcy mogą określić zmiany w grawitacji Ziemi. (Zdjęcie dzięki uprzejmości NASA Jet PropulsionLaboratory)
GRACE opiera się na dwóch identycznych satelitach, z których każdy jest wielkości samochodu. Gdy satelity lecą w odległości około 220 kilometrów (137 mil) od siebie, jeden za drugim, mikrofalowy system pomiarowy monitoruje odległość między nimi z dokładnością do mikrona – mniejszą niż czerwona krwinka. Naukowcy mogą mapować grawitację w dowolnym miejscu na powierzchni Ziemi, mierząc drobne zmiany w odległości między dwoma satelitami, gdy każdy z nich przyspiesza i zwalnia w odpowiedzi na siłę grawitacji.
Zarchiwizowane w Centrum Aktywnego Archiwum Rozproszonego Oceanografii Fizycznej NASA (PO.DAAC) w Pasadenie, Kalifornia, oraz w Centrum Systemu Informacji i Danych GeoForschungZentrum (GFZ/ISDC), dane GRACE zmieniają sposób w jaki naukowcy i modelarze postrzegają grawitację. GRACE dostarcza comiesięczne mapy, które są co najmniej 100 razy dokładniejsze niż poprzednie mapy w szczegółowym opisie zmian w polu grawitacyjnym Ziemi. „Klasyczny pogląd, że grawitacja to coś, co mierzy się raz, nie jest już akceptowany. Grawitacja jest elementem, który naukowcy muszą nadal monitorować,” powiedział Byron Tapley, dyrektor Centrum Badań Kosmicznych i główny badacz misji GRACE.
Ponieważ naukowcy nie mogą zobaczyć, poczuć lub bezpośrednio zaobserwować sił grawitacyjnych, mapują oni grawitację Ziemi używając modelu matematycznego, który opisuje wyimaginowaną powierzchnię sferyczną zwaną geoidą. Geoida przedstawia oceany jako gładkie, ciągłe powierzchnie, na które nie mają wpływu pływy, wiatry czy prądy. Tworzy lokalnie poziomą powierzchnię, przeciwko której naukowcy mogą zmierzyć w dół przyciąganie grawitacyjne.
Grawitacja jest określona przez ile masy danego materiału, więc więcej masy obiektu ma, tym silniejsze jego przyciąganie grawitacyjne. Na przykład granit jest bardzo gęstym materiałem o dużej masie, więc będzie wywierał większe przyciąganie niż ta sama objętość mniej gęstego materiału, takiego jak woda. Masa Ziemi jest rozłożona pomiędzy różne formy terenu i cechy – takie jak łańcuchy górskie, oceany i głębokie rowy morskie – które mają różną masę, co tworzy nierówne pole grawitacyjne.
Ta mapa, stworzona przy użyciu danych z misji Gravity Recovery andClimate Experiment (GRACE), ujawnia różnice w polu grawitacyjnym Ziemi. Ciemnoniebieskie obszary pokazują obszary o niższej niż normalna grawitacji, takie jak Ocean Indyjski (daleko po prawej stronie obrazu) i dorzecze rzeki Kongo w Afryce. Ciemnoczerwone obszary wskazują obszary o wyższej niż normalna grawitacji. Długi czerwony guzek wystający z lewej dolnej części obrazu wskazuje na Andy w Ameryce Południowej, podczas gdy czerwony guzek w prawej górnej części obrazu wskazuje na Himalaje w Azji. (Obraz przygotowany przez The University ofTexas Center for Space Research jako część wspólnej analizy danych z NASA Jet Propulsion Laboratory i GeoForschungsZentrum w Poczdamie, Niemcy)
W konsekwencji, geoida nie tworzy idealnej kuli, a na mapach opartych na geoidzie, ziemskie pole grawitacyjne wykazuje wybrzuszenia i wgłębienia. „Ponieważ rozkład materiałów w głębi Ziemi jest różny, jej pole grawitacyjne ma wzgórza i doliny. Ocean próbuje układać się wzdłuż tej pagórkowatej powierzchni” – powiedział Michael Watkins, naukowiec projektu GRACE w JPL. Na przykład, powierzchnia oceanu przy czubku Indii jest około 200 metrów (650 stóp) bliżej jądra Ziemi niż powierzchnia oceanu w pobliżu Borneo. Bez pływów, prądów i wiatru, powierzchnia oceanu podążałaby za wzgórzami i dolinami geoidy, odzwierciedlając zmiany w sile grawitacji Ziemi.
„Pole grawitacyjne Ziemi zmienia się z miesiąca na miesiąc głównie z powodu masy wody poruszającej się na powierzchni”, powiedział Watkins. „Ponieważ woda we wszystkich swoich formach ma masę i ciężar, możemy faktycznie zważyć poruszający się ocean. Możemy ważyć opady deszczu i możemy ważyć zmiany w polarnych pokrywach lodowych.”
Ten diagram ilustruje cykl hydrologiczny i pokazuje jak woda krąży nad, pod i nad powierzchnią Ziemi. Dane GRACE mogą doprowadzić do zidentyfikowania nowych źródeł słodkiej wody w jałowych regionach Ziemi. (Zdjęcie dzięki uprzejmości NASA Goddard Space Flight Center)
GRACE obserwuje cykl hydrologiczny Ziemi i pozwala naukowcom śledzić wodę, jak paruje do atmosfery, spada na ląd w postaci opadów deszczu lub śniegu, lub spływa do oceanu. „Największe słodkowodne wydarzenia hydrologiczne wykrywane przez GRACE to spływy deszczowe w większych dorzeczach, takich jak Amazonka, oraz cykl monsunowy w Indiach,” powiedział Tapley.
Wykrywanie ilości wody wpływającej do oceanów jest kluczowe dla poznania zmian poziomu morza. Inne instrumenty teledetekcyjne mogą obserwować zmiany poziomu morza, ale nie potrafią rozróżnić pomiędzy rozszerzalnością termiczną (kiedy cieplejsza woda rozszerza się) a dodatkową masą w postaci wody dodawanej do oceanu. „GRACE jest wrażliwy tylko na tę część zmian poziomu morza, która wynika z dodawania masy wody” – powiedział Don Chambers, naukowiec z Centrum Badań Kosmicznych. „Większość modeli zakłada, że całkowita masa oceanu jest stała – że nie dodaje się do niego ani nie odbiera wody. Dzięki pomiarom GRACE, modelarze będą musieli uwzględnić wahania masy.”
Opracowanie dokładniejszego rachunku zmian poziomu morza jest ważne dla krajów nisko położonych, takich jak Tuvalu. Położony na Oceanie Spokojnym pomiędzy Hawajami a Australią, kraj ten jest połączeniem dziewięciu wysp i atoli (pierścieniowych wysp koralowych, które zamykają lagunę). Ponieważ wyspy osiągają zaledwie 5 metrów (16 stóp) nad poziomem morza w najwyższym punkcie, są one narażone na podnoszenie się poziomu oceanów. Dane GRACE mogą ujawnić długoterminowe trendy klimatyczne, które mogą wpływać na zmiany poziomu morza.
Oprócz pomiaru zmian w masie wody na powierzchni Ziemi, GRACE może wykryć zmiany wilgotności na dużą skalę pod ziemią. Na przykład, podczas rekordowych fal upałów w Rosji w 2002 roku i Europie w 2003 roku, dane GRACE pozwoliły naukowcom zmierzyć ilość wilgoci, która wyparowała z gleby podczas tych bardzo suchych okresów. Ta zdolność będzie również ostrzegać hydrologów o zmianach w warstwach wodonośnych i podziemnych zasobach wody. „Bardzo trudno jest zmierzyć, ile wody znajduje się głęboko w ziemi i jak bardzo zmienia się to z roku na rok. GRACE jest jednym z niewielu narzędzi, które mamy do tego celu,” powiedział Watkins. „Może pomóc nam zrozumieć lokalną hydrologię, ewapotranspirację, opady i spływy rzeczne, a także może dać nam wyobrażenie o tym, ile wody jest dostępne w głębi Ziemi do nawadniania i rolnictwa” – powiedział Watkins.
Jak wiele atoli na Oceanie Spokojnym, Aitutaki na Wyspach Cooka wznosi się tylko kilka metrów nad poziomem morza. Kilka krajów wyspiarskich, takich jak Tuvalu na Oceanie Spokojnym i Malediwy na Oceanie Indyjskim, składa się w całości z nisko położonych wysp i atoli, co czyni je szczególnie podatnymi na podnoszenie się poziomu morza. (Zdjęcie dzięki uprzejmości Laurie J. Schmidt)
Naukowcy wykorzystują również dane GRACE do badania zamarzniętej wody w postaci pokrywy lodowej i dużych lodowców. Isabella Velicogna, naukowiec z University of Colorado, bada zmiany masy w pokrywie lodowej Grenlandii. „Niektóre składniki cyklu sezonowego na Grenlandii nie są zbyt dobrze poznane, jak np. wyładowania lodowe i hydrologia subglacjalna. GRACE dostrzega niektóre z tych komponentów, które są trudne do zmierzenia” – powiedziała. Inne instrumenty, takie jak wysokościomierze, mogą określić zmiany wysokości w pokrywie lodowej, ale GRACE widzi całkowitą masę, ostrzegając naukowców, jak dużo lodu i wody jest odprowadzane z pokrywy lodowej. „GRACE dostarcza informacji, których nie można uzyskać z żadnego innego instrumentu satelitarnego,” powiedział Velicogna.
Po przeanalizowaniu dwóch lat danych, Velicogna zgłosił długoterminowy trend: pokrywa lodowa traci masę. Chociaż inne badania Grenlandii potwierdzają to odkrycie, dodała, że naukowcy potrzebują dłuższych serii danych, aby zrozumieć, co dzieje się z pokrywą lodową. Grenlandia posiada około 2.600.000 kilometrów sześciennych lodu, którego stopienie spowodowałoby wzrost poziomu morza o około 6,5 metra (22 stopy). Od końca XIX wieku topniejące pokrywy lodowe i lodowce zwiększyły globalny poziom morza o około 1 do 2 centymetrów (0,3 do 0,7 cala) na dekadę.
Nawet lodowce, które stopiły się dawno temu, wpływają na poziom morza dzisiaj. Na przykład, duża masa lodu pokrywała obszar Zatoki Hudsona podczas ostatniej epoki lodowcowej, która zakończyła się około 15 000 lat temu. Teraz, bez ciężaru lodowców, ziemia pod tym obszarem powoli odbija się w tempie około 1 centymetra (0,3 cala) rocznie. Z czasem, to polodowcowe odbicie wpływa na regionalne linie brzegowe, komplikując odczyty pływomierza i utrudniając monitorowanie zmian w globalnym poziomie morza. Dane GRACE pozwolą naukowcom zmierzyć zmiany, które można przypisać odbiciu polodowcowemu, co ułatwi określenie, jak bardzo inne czynniki – takie jak globalne ocieplenie – przyczyniają się do podnoszenia się poziomu mórz.
Inwestorzy zaprojektowali GRACE jako misję pięcioletnią, ale naukowcy mają nadzieję zbierać dane przez okres do 10 lat. Przedłużenie czasu trwania misji pozwoli im na zbadanie nowych zastosowań dla danych GRACE. „Łączymy pomiary grawitacyjne z innymi danymi, jak te z altimetrii pokrywy lodowej czy altimetrii radarowej. Wciąż jednak próbujemy zrozumieć, co mówią nam te wszystkie dane” – powiedział Watkins. „Jest to bardzo imponujące osiągnięcie inżynieryjne, które pozwala nam na wykonywanie tak szczegółowych pomiarów. GRACE daje nam wysokiej rozdzielczości mapowanie grawitacji – to pionierskie narzędzie teledetekcji.”
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.
Więcej informacji
NASA Physical Oceanography Distributed Active Archive Center (PO.DAAC)
Strona internetowa GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment)
Arkusz informacyjny GRACE
Kosmiczne bliźnięta GRACE mają wspólnie śledzić wodę i grawitację na Ziemi
| O wykorzystanych danych teledetekcyjnych | ||
|---|---|---|
| Satelita | Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) |
|
| Parametry | zmienności grawitacji | |
| DAAC | NASA Physical Oceanography Distributed Active Archive Center (PO.DAAC) | |
.