Materia i rörelse:
av Laura Naranjo
- Om data
- Om PO.DAAC
- Ladda ner PDF
Enligt legenden upptäckte Isaac Newton gravitationen efter att ha sett ett äpple falla från ett träd. Med hjälp av ordet ”gravitas” (latin för ”vikt”) beskrev han den grundläggande kraft som håller föremål förankrade på jorden. Sedan dess har forskare använt kartor över jordens gravitation för att utforma dräneringssystem, anlägga vägnät och kartlägga markytor. Men Newton föreställde sig förmodligen inte att gravitationen skulle kunna avslöja ny information om den globala hydrologiska cykeln.
Traditionellt sett har forskare konstruerat gravitationskartor med hjälp av en kombination av landmätningar, fartygsregistreringar och, på senare tid, fjärranalys. Dessa mätningar var dock inte tillräckligt noggranna för att fånga upp de små förändringar i vattenrörelser som gör att gravitationen varierar över tiden. Med hjälp av ett nytt satellituppdrag kan forskarna nu väga vattnet när det cirkulerar runt jorden och relatera dessa mätningar till förändringar i havsnivå, markfuktighet och istäcken.
För att bättre kunna bedöma dessa gravitationsvariationer utvecklade ett internationellt team av ingenjörer och forskare uppdraget Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE). Uppdraget lanserades i mars 2002 som ett samarbete mellan NASA och Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt (tyska flyg- och rymdcentret) och genomfördes i samarbete mellan University of Texas Center for Space Research, GeoforschungZentrum (Tysklands nationella forskningscentrum för geovetenskap) och NASA:s Jet Propulsion Laboratory (JPL).
Grace-uppdraget är ett samarbete mellan University of Texas Center for Space Research, GeoforschungZentrum (Tysklands nationella forskningscentrum för geovetenskap) och NASA:s Jet Propulsion Laboratory (JPL).
Grace-uppdraget är en av de viktigaste instituten i världen för att mäta förändringar i avståndet mellan GRACE-uppdragets första och andra satellit, och på så sätt kan forskarna fastställa förändringar i jordens gravitation. (Bild från NASA Jet PropulsionLaboratory)
GRACE bygger på två identiska satelliter som vardera är ungefär lika stora som en bil. När satelliterna flyger ungefär 220 kilometer från varandra, den ena efter den andra, övervakar ett mikrovågsavståndssystem avståndet mellan dem med en noggrannhet på en mikrometer – mindre än en röd blodkropp. Forskarna kan kartlägga gravitationen var som helst på jordens yta genom att mäta små förändringar i avståndet mellan de två satelliterna när var och en av dem accelererar och saktar ner som svar på gravitationskraften.
Data från GRACE arkiveras vid NASA:s Physical Oceanography Distributed Active Archive Center (PO.DAAC) i Pasadena, Kalifornien, och GeoForschungZentrum Information System and Data Center (GFZ/ISDC) och förändrar det sätt på vilket forskare och modellerare ser på gravitationen. GRACE ger månatliga kartor som är minst 100 gånger mer exakta än tidigare kartor när det gäller att beskriva förändringar i jordens gravitationsfält. ”Den klassiska idén om att gravitation är något som man mäter en gång är inte längre accepterad. Gravitationen är en faktor som forskarna måste fortsätta att övervaka”, säger Byron Tapley, chef för Center for Space Research och huvudansvarig för GRACE-uppdraget.
Då forskarna inte kan se, känna eller direkt observera gravitationskrafterna, kartlägger de jordens gravitation med hjälp av en matematisk modell som beskriver en tänkt sfärisk yta som kallas geoiden. Geoiden representerar haven som släta, kontinuerliga ytor som inte påverkas av tidvatten, vindar eller strömmar. Den skapar en lokalt horisontell yta mot vilken forskarna kan mäta gravitationens nedåtgående dragningskraft.
Tyngdkraften bestäms av hur mycket massa ett visst material har, så ju mer massa ett föremål har, desto starkare är dess gravitationskraft. Granit är till exempel ett mycket tätt material med hög massa, så det kommer att utöva en större dragningskraft än samma volym av ett mindre tätt material, till exempel vatten. Jordens massa är fördelad mellan olika landformer och funktioner – såsom bergskedjor, hav och djuphavsgravar – som alla har olika massa, vilket skapar ett ojämnt gravitationsfält.
Denna karta, som skapats med hjälp av data från uppdraget Gravity Recovery andClimate Experiment (GRACE), avslöjar variationer i jordens gravitationsfält. Mörkblå områden visar områden med lägre gravitation än normalt, t.ex. Indiska oceanen (längst till höger i bilden) och Kongoflodens avrinningsområde i Afrika. Mörka röda områden visar områden med högre gravitation än normalt. Det långa röda guppet som sticker ut från bildens nedre vänstra sida visar Andesbergen i Sydamerika, medan det röda guppet på bildens övre högra sida visar Himalayabergen i Asien. (Bilden har tagits fram av The University of Texas Center for Space Research som en del av ett samarbete med NASA:s Jet Propulsion Laboratory och GeoForschungsZentrum i Potsdam, Tyskland)
Följaktligen bildar geoiden inte en perfekt sfär, och i kartor som baseras på geoiden uppvisar jordens gravitationsfält utbuktningar och fördjupningar. ”Eftersom fördelningen av material djupt inne i jorden varierar har dess gravitationsfält kullar och dalar. Havet försöker lägga sig längs den kuperade ytan”, säger Michael Watkins, GRACE-projektforskare vid JPL. Havsytan utanför Indiens spets ligger till exempel cirka 200 meter närmare jordens kärna än havsytan nära Borneo. Utan tidvatten, strömmar och vindar skulle havsytan följa geoidens kullar och dalar, vilket återspeglar variationerna i styrkan i jordens gravitationskraft.
”Jordens gravitationsfält förändras från en månad till en annan, främst på grund av den vattenmassa som rör sig på ytan”, säger Watkins. ”Eftersom vatten i alla dess former har massa och vikt kan vi faktiskt väga havet som rör sig runt. Vi kan väga nederbörd och vi kan väga förändringar i polarisarna.”
Detta diagram illustrerar det hydrologiska kretsloppet och visar hur vatten cirkulerar över, under och ovanför jordytan. GRACE-data kan leda till att nya färskvattenkällor identifieras i torra områden på jorden. (Bild med tillstånd av NASA Goddard Space Flight Center)
GRACE observerar jordens hydrologiska kretslopp och gör det möjligt för forskare att spåra vatten när det avdunstar i atmosfären, faller på land i form av regn eller snö, eller rinner ut i havet. ”De största hydrologiska färskvattenhändelserna som GRACE upptäcker är regnavrinningen i de större avrinningsområdena, som Amazonas, och monsuncykeln i Indien”, säger Tapley.
Detektering av hur mycket vatten som kommer in i haven är nyckeln till att lära sig mer om havsnivåförändringar. Andra fjärranalysinstrument kan observera havsnivåförändringar, men de kan inte skilja mellan termisk expansion (när varmare vatten expanderar) och ytterligare massa i form av vatten som tillförs havet. ”GRACE är endast känsligt för den del av havsnivåförändringen som beror på att vattenmassa tillförs”, säger Don Chambers, forskare vid Center for Space Research. ”De flesta modeller utgår från att havets totala massa är konstant – att det inte tillförs eller tas bort något vatten. Med hjälp av GRACE-mätningar kommer modellbyggarna att behöva ta hänsyn till fluktuationer i massan.”
Att utveckla en mer exakt redovisning av havsnivåförändringar är viktigt för låglänta länder som Tuvalu. Landet ligger i Stilla havet mellan Hawaii och Australien och är en kombination av nio öar och atoller (ringliknande korallöar som omsluter en lagun). Men eftersom öarna når endast 5 meter över havsnivån på sin högsta punkt är de sårbara för stigande hav. GRACE-data kan avslöja långsiktiga klimattrender som kan påverka havsnivåförändringar.
Förutom att mäta förändringar i vattenmassan på jordens yta kan GRACE upptäcka storskaliga fuktförändringar under jorden. Under rekordvarma värmeböljor i Ryssland 2002 och Europa 2003 kunde forskarna med hjälp av GRACE-data till exempel mäta hur mycket fukt som avdunstade från marken under dessa mycket torra perioder. Denna förmåga kommer också att göra hydrologer uppmärksamma på förändringar i akviferer och underjordiska vattentillgångar. ”Det är mycket svårt att mäta hur mycket vatten som finns djupt ner i marken och hur mycket det förändras från ett år till ett annat. GRACE är ett av de få verktyg vi har för att göra det”, säger Watkins. ”Det kan hjälpa oss att förstå lokal hydrologi, evapotranspiration, nederbörd och flodavrinning, och det kan ge oss en uppfattning om hur mycket vatten som finns tillgängligt djupt nere i jorden för bevattning och jordbruk”, sade Watkins.
Likt många atoller i Stilla havet höjer sig Aitutaki på Cooköarna bara några få meter över havsnivån. Flera önationer, t.ex. Tuvalu i Stilla havet och Maldiverna i Indiska oceanen, består helt och hållet av lågt belägna öar och atoller, vilket gör dem särskilt sårbara för stigande havsnivåer. (Bild med tillstånd av Laurie J. Schmidt)
Forskare använder också GRACE-data för att kartlägga fruset vatten i form av istäcken och stora glaciärer. Isabella Velicogna, forskare vid University of Colorado, studerar massförändringar i Grönlands inlandsis. ”Vissa komponenter i säsongscykeln på Grönland är inte särskilt väl förstådda, t.ex. isutflöde och subglacial hydrologi. GRACE ser några av dessa komponenter som är svåra att mäta”, säger hon. Andra instrument, t.ex. höjdmätare, kan fastställa höjdförändringar i inlandsisen, men GRACE ser den totala massan, vilket gör forskarna uppmärksamma på hur mycket is och vatten som rinner ut från inlandsisen. ”GRACE ger information som man inte kan få från något annat satellitinstrument”, sade Velicogna.
Efter att ha analyserat två års data rapporterade Velicogna en långsiktig trend: inlandsisen förlorar massa. Även om annan grönländsk forskning stöder detta resultat, tillade hon att forskarna behöver en längre tidsserie av data för att förstå vad som händer med inlandsisen. Grönland innehåller cirka 2 600 000 kubikkilometer (624 000 kubikmil) is som, om den smälter, skulle leda till en havsnivåhöjning på cirka 6,5 meter (22 fot). Sedan slutet av 1800-talet har smältande istäcken och glaciärer höjt den globala havsnivån med cirka 1 till 2 centimeter per decennium.
Även glaciärer som smälte för länge sedan påverkar havsnivån i dag. Till exempel täckte en stor ismassa området kring Hudsonbukten under den senaste istiden, som tog slut för cirka 15 000 år sedan. Nu, utan glaciärernas tyngd, återhämtar sig marken under det området långsamt med en hastighet av cirka 1 centimeter (0,3 tum) per år. Med tiden påverkar denna postglaciala återställning regionala kustlinjer, vilket försvårar avläsningen av tidvattenmätare och gör det svårare att övervaka förändringar i den globala havsnivån. GRACE-data kommer att göra det möjligt för forskarna att mäta den förändring som kan tillskrivas den postglaciala återväxten, vilket gör det lättare att avgöra hur mycket andra faktorer – t.ex. global uppvärmning – bidrar till stigande havsnivåer.
Insökarna utformade GRACE som ett femårigt uppdrag, men forskarna hoppas att de ska kunna samla in data i upp till tio år. Om uppdraget fortsätter att pågå kommer de att kunna utforska nya tillämpningar för GRACE-data. ”Vi kombinerar gravitationsmätningar med andra data, t.ex. från höjdmätning av istäcken eller radarhöjdmätning. Men vi försöker fortfarande förstå vad alla dessa data säger oss”, säger Watkins. ”Det är en mycket imponerande teknisk prestation som gör att vi kan göra så detaljerade mätningar. GRACE ger oss gravitationskartläggning med hög upplösning – det är ett banbrytande fjärranalysverktyg.”
Tapley, B.D., S. Bettadpur, M. Watkins och C. Reigber.2004. Gravity Recovery and Climate Experiment: Mission Overview and earlyresults. Geophysical Research Letters, 31, L09607, doi:10.1029/2004GL019920.
Chambers, D.P., J. Wahr och R.S. Nerem. 2004. Preliminära observationer av globala variationer i havsmassan med GRACE. Geophysical Research Letters, 31,L13310, doi:10.1029/2004GL020461.
För mer information
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
| Om de fjärranalysdata som använts | ||
|---|---|---|
| Satellit | Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) |
|
| Parameter | gravitationsvariationer | |
| DAAC | NASA Physical Oceanography Distributed Active Archive Center (PO.DAAC) | |