Materie în mișcare: Earth’s Changing Gravity
De Laura Naranjo
- Despre date
- Despre PO.DAAC
- Download PDF
Potrivit legendei, Isaac Newton a descoperit gravitația după ce a văzut un măr căzând dintr-un copac. Folosind cuvântul „gravitas” (în latină „greutate”), el a descris forța fundamentală care menține obiectele ancorate pe Pământ. De atunci, oamenii de știință au folosit hărți ale gravitației Pământului pentru a proiecta sisteme de drenaj, pentru a trasa rețele de drumuri și pentru a studia suprafețele de teren. Dar Newton probabil că nu și-a imaginat că gravitația ar putea dezvălui noi informații despre ciclul hidrologic global.
În mod tradițional, oamenii de știință au construit hărțile gravitaționale folosind o combinație de măsurători terestre, înregistrări ale navelor și, mai recent, teledetecție. Cu toate acestea, aceste măsurători nu erau suficient de precise pentru a surprinde ușoarele schimbări în mișcarea apei care determină variația gravitației în timp. Cu ajutorul unei noi misiuni prin satelit, oamenii de știință pot acum să cântărească apa în timp ce aceasta circulă în jurul globului și să coreleze aceste măsurători cu modificările nivelului mării, umiditatea solului și calotele de gheață.
Pentru a evalua mai bine aceste variații ale gravitației, o echipă internațională de ingineri și oameni de știință a dezvoltat misiunea Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE). Lansată în martie 2002 ca un proiect comun între NASA și Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt (Centrul Aerospațial German), misiunea a fost implementată prin colaborarea dintre Centrul de Cercetare Spațială al Universității din Texas, GeoforschungZentrum (Centrul Național de Cercetare pentru Geoștiințe din Germania) și Laboratorul de Propulsie cu Jet (JPL) al NASA.
Măsurând schimbările în distanța dintre satelitul principal al misiunii GRACE și satelitul urmăritor, oamenii de știință pot determinamodificările în gravitația Pământului. (Pentru imagine, mulțumim NASA Jet PropulsionLaboratory)
GRACE se bazează pe doi sateliți identici, fiecare de mărimea unei mașini. În timp ce sateliții zboară la o distanță de aproximativ 220 de kilometri, unul după celălalt, un sistem de telemetrie cu microunde monitorizează distanța dintre ei cu o precizie de un micron – mai mică decât o celulă roșie de sânge. Oamenii de știință pot cartografia gravitația oriunde pe suprafața Pământului prin măsurarea micilor modificări ale distanței dintre cei doi sateliți, în timp ce fiecare dintre ei accelerează și încetinește ca răspuns la forța gravitațională.
Arhivate la Physical Oceanography Distributed Active Archive Center (PO.DAAC) al NASA din Pasadena, California, și la GeoForschungZentrum Information System and Data Center (GFZ/ISDC), datele GRACE schimbă modul în care oamenii de știință și modelatorii privesc gravitația. GRACE oferă hărți lunare care sunt de cel puțin 100 de ori mai precise decât hărțile anterioare în ceea ce privește detalierea schimbărilor din câmpul gravitațional al Pământului. „Ideea clasică potrivit căreia gravitația este ceva ce se măsoară o singură dată nu mai este acceptată. Gravitația este un element pe care oamenii de știință trebuie să continue să îl monitorizeze”, a declarat Byron Tapley, director al Centrului pentru Cercetări Spațiale și cercetător principal al misiunii GRACE.
Pentru că oamenii de știință nu pot vedea, simți sau observa direct forțele gravitaționale, ei cartografiază gravitația Pământului folosind un model matematic care descrie o suprafață sferică imaginară numită geoid. Geoidul reprezintă oceanele ca suprafețe netede, continue, neafectate de maree, vânturi sau curenți. Acesta creează o suprafață orizontală locală față de care oamenii de știință pot măsura atracția gravitațională descendentă a gravitației.
Gravitația este determinată de cât de multă masă are un anumit material, astfel încât cu cât un obiect are mai multă masă, cu atât mai puternică este atracția gravitațională a acestuia. De exemplu, granitul este un material foarte dens, cu un nivel ridicat de masă, astfel încât va exercita o atracție mai mare decât același volum al unui material mai puțin dens, cum ar fi apa. Masa Pământului este distribuită între diverse forme de relief și caracteristici – cum ar fi lanțurile muntoase, oceanele și șanțurile din adâncurile mărilor – care au toate o masă diferită, ceea ce creează un câmp gravitațional inegal.
Această hartă, creată cu ajutorul datelor provenite din misiunea Gravity Recovery andClimate Experiment (GRACE), dezvăluie variațiile câmpului gravitațional al Pământului. Zonele albastru închis arată zonele cu o gravitație mai mică decât cea normală, cum ar fiOceanul Indian (extrema dreaptă a imaginii) și bazinul râului Congo din Africa. Zonele de culoare roșie închisă indică zonele cu o gravitație mai mare decât cea normală. Umflătura roșie lungă care iese din partea stângă jos a imaginii indică Munții Anzi din America de Sud, în timp ce umflătura roșie din partea dreaptă sus a imaginii indică Munții Himalaya din Asia. (Imagine pregătită de The University ofTexas Center for Space Research ca parte a unui efort de analiză a datelor în colaborare cu NASA Jet Propulsion Laboratory și GeoForschungsZentrum inPotsdam, Germania)
În consecință, geoidul nu formează o sferă perfectă, iar în hărțile bazate pe geoid, câmpul gravitațional al Pământului prezintă umflături și depresiuni. „Deoarece distribuția materialelor din adâncul Pământului variază, câmpul său gravitațional prezintă dealuri și văi. Oceanul încearcă să se așeze de-a lungul acestei suprafețe accidentate”, a declarat Michael Watkins, cercetător al proiectului GRACE la JPL. De exemplu, suprafața oceanului de la vârful Indiei este cu aproximativ 200 de metri mai aproape de nucleul Pământului decât suprafața oceanului de lângă Borneo. Fără maree, curenți și vânt, suprafața oceanului ar urma dealurile și văile geoidului, reflectând variațiile în intensitatea forței gravitaționale a Pământului.
„Câmpul gravitațional al Pământului se schimbă de la o lună la alta, în principal din cauza masei de apă care se mișcă la suprafață”, a spus Watkins. „Deoarece apa, în toate formele sale, are masă și greutate, putem cântări de fapt oceanul care se mișcă. Putem cântări precipitațiile și putem cântări schimbările din calotele polare de gheață.”
Această diagramă ilustrează ciclul hidrologic și arată cum circulă apa peste, sub și deasupra suprafeței Pământului. Datele GRACE pot duce la identificarea de noi surse de apă dulce în regiunile aride de pe Pământ. (Pentru imagine, mulțumim NASA Goddard Space Flight Center)
GRACE observă ciclul hidrologic al Pământului și permite oamenilor de știință să urmărească apa pe măsură ce se evaporă în atmosferă, cade pe uscat sub formă de precipitații sau zăpadă, sau se scurge în ocean. „Cele mai mari evenimente hidrologice de apă dulce pe care GRACE le detectează sunt scurgerea precipitațiilor în bazinele hidrografice mai mari, cum ar fi Amazonul, și ciclul musonic din India”, a declarat Tapley.
Detectarea cantității de apă care intră în oceane este esențială pentru a afla despre schimbările nivelului mării. Alte instrumente de teledetecție pot observa schimbările nivelului mării, dar nu pot face distincția între expansiunea termică (când apa mai caldă se extinde) și masa suplimentară sub formă de apă adăugată în ocean. „GRACE este sensibil doar la porțiunea de schimbare a nivelului mării care se datorează masei de apă adăugate”, a declarat Don Chambers, cercetător științific la Center for Space Research. „Majoritatea modelelor presupun că masa totală a oceanului este constantă – că nu se adaugă sau se elimină apă. Cu măsurătorile GRACE, modelatorii vor trebui să țină cont de fluctuațiile de masă.”
Dezvoltarea unei evidențe mai precise a schimbărilor nivelului mării este importantă pentru țările cu altitudine joasă, cum ar fi Tuvalu. Situată în Oceanul Pacific, între Hawaii și Australia, țara este o combinație de nouă insule și atoli (insule de corali asemănătoare unor inele care închid o lagună). Dar, deoarece insulele se află la doar 5 metri deasupra nivelului mării în punctul lor cel mai înalt, ele sunt vulnerabile la creșterea nivelului oceanelor. Datele GRACE pot dezvălui tendințele climatice pe termen lung care pot afecta schimbările nivelului mării.
Pe lângă măsurarea schimbărilor în masa de apă de la suprafața Pământului, GRACE poate detecta schimbările de umiditate pe scară largă în subteran. De exemplu, în timpul valurilor de căldură record din Rusia în 2002 și Europa în 2003, datele GRACE au permis oamenilor de știință să măsoare cantitatea de umiditate care s-a evaporat din sol în timpul acestor perioade foarte uscate. De asemenea, această capacitate îi va alerta pe hidrologi cu privire la schimbările din acvifere și rezervele de apă subterane. „Este foarte greu de măsurat cât de multă apă se află în adâncul solului și cât de mult se schimbă de la un an la altul. GRACE este unul dintre puținele instrumente pe care le avem pentru a face acest lucru”, a declarat Watkins. „Ne poate ajuta să înțelegem hidrologia locală, evapotranspirația, precipitațiile și scurgerea râurilor și ne poate da o idee despre câtă apă este disponibilă în profunzimea Pământului pentru irigații și agricultură”, a mai spus Watkins.
Ca mulți atoli din Oceanul Pacific, Aitutaki din CookIslands se ridică la doar câțiva metri deasupra nivelului mării. Mai multe națiuni insulare, cum ar fi Tuvalu în Oceanul Pacific și Maldive în Oceanul Indian, sunt compuse în întregime din insule și atoli de joasă altitudine, ceea ce le face deosebit de vulnerabile la creșterea nivelului mării. (Pentru imagine, multumim Laurie J. Schmidt)
Cercetătorii folosesc, de asemenea, datele GRACE pentru a studia apa înghețată sub formă de straturi de gheață și ghețari mari. Isabella Velicogna, cercetător științific la Universitatea din Colorado, studiază schimbările de masă din stratul de gheață din Groenlanda. „Unele componente ale ciclului sezonier din Groenlanda nu sunt foarte bine înțelese, cum ar fi descărcarea de gheață și hidrologia subglaciară. GRACE vede unele dintre aceste componente care sunt dificil de măsurat”, a spus ea. Alte instrumente, cum ar fi altimetrele, pot determina schimbările de altitudine în stratul de gheață, dar GRACE vede masa totală, alertând oamenii de știință asupra cantității de gheață și apă care se scurge din stratul de gheață. „GRACE oferă informații pe care nu le puteți obține de la niciun alt instrument de satelit”, a spus Velicogna.
După ce a analizat doi ani de date, Velicogna a raportat o tendință pe termen mai lung: stratul de gheață pierde masă. Deși alte cercetări din Groenlanda susțin această constatare, ea a adăugat că oamenii de știință au nevoie de o serie mai lungă de date pentru a înțelege ce se întâmplă cu stratul de gheață. Groenlanda deține aproximativ 2.600.000 de kilometri cubi (624.000 de mile cubice) de gheață, care, dacă s-ar topi, ar duce la o creștere a nivelului mării de aproximativ 6,5 metri (22 de picioare). De la sfârșitul secolului al XIX-lea, topirea calotelor de gheață și a ghețarilor a crescut nivelul global al mării cu aproximativ 1 până la 2 centimetri (0,3 până la 0,7 inch) pe deceniu.
Chiar și ghețarii care s-au topit cu mult timp în urmă afectează nivelul mării în prezent. De exemplu, o masă mare de gheață a acoperit zona Golfului Hudson în timpul ultimei ere glaciare, care s-a încheiat în urmă cu aproximativ 15.000 de ani. Acum, fără greutatea ghețarilor, pământul de sub acea zonă se ridică încet, cu o rată de aproximativ 1 centimetru (0,3 inch) pe an. De-a lungul timpului, această revenire postglaciară afectează coastele regionale, complicând citirea indicatoarelor de maree și îngreunând monitorizarea schimbărilor la nivelul global al mării. Datele GRACE vor permite oamenilor de știință să măsoare schimbarea care poate fi atribuită revenirii postglaciare, facilitând astfel determinarea măsurii în care alți factori – cum ar fi încălzirea globală – contribuie la creșterea nivelului mării.
Investigatorii au conceput GRACE ca o misiune de cinci ani, dar oamenii de știință speră să colecteze date timp de până la 10 ani. Continuarea duratei de viață a misiunii le va permite să exploreze noi aplicații pentru datele GRACE. „Combinăm măsurătorile gravitaționale cu alte date, cum ar fi cele din altimetria stratului de gheață sau altimetria radar. Dar încă încercăm să înțelegem ce ne spun toate aceste date”, a declarat Watkins. „Este o realizare inginerească foarte impresionantă care ne permite să facem măsurători atât de detaliate. GRACE ne oferă o cartografiere gravitațională de înaltă rezoluție – este un instrument de teledetecție de pionierat.”
Tapley, B.D., S. Bettadpur, M. Watkins, și 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.
Pentru mai multe informații
NASA Physical Oceanography Distributed Active Archive Center (PO.DAAC)
Site-ul web al experimentului GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment)
Folie informativă GRACE
Gemenii spațiali GRACE se pregătesc să facă echipă pentru a urmări apa și gravitația Pământului
| Despre datele de teledetecție utilizate | ||
|---|---|---|
| Satelitul | Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) |
|
| Parametru | variații ale gravitației | |
| DAAC | NASA Physical Oceanography Distributed Active Archive Center (PO.DAAC) | |
.