Jordens tyngdefelt opmålt med få centimeters nøjagtighed

Nye data fra satellitten GOCE stiller skarpt på små variationer i tyngdekraften og har produceret det hidtil mest præcise billede af Jordens tyngdefelt. Nu kan man gå i gang med at kalibrere globale klima- og satellitdata.

Læs hele artiklen med kommentarer på ing.dk


Den ser ud som en bulet kartoffel. Eller som en knoldselleri. Glat er den i hvert fald ikke. Den kaldes en geoide, og er en slags højdekort over verdenshavene, som de ville se ud, hvis der kun var tyngdekraft på Jorden og hverken kontinenter, rotation om egen akse eller vandcirkulation af nogen art.

Forskere fra det europæiske rumagentur ESA, og deriblandt fra DTU Space, har efter sidste års problemer med satellitten GOCE (Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer) nu fået samlet over 70 millioner observationer og produceret en model af Jordens tyngdefelt med hidtil uset præcision. Geoidens opløsning er nede på 1-2 centimeter pr. 100 kilometer. De blå områder repræsenterer et lavt tyngdefelt og de gule et højt tyngdefelt. Figuren er en stor overdrivelse af de reelle forskelle, der i virkeligheden ikke er mere end +/- 100 meter, men den giver alligevel et godt billede af de irregulære massefordelinger i Jordens indre og af, hvordan vandcirkulationen foregår i verdenshavene.


Hvor vandet løber nedad
Det er vigtigt at kende til Jordens geoide, fordi den definerer gennemsnitsoverfladen af et konstant tyngdepotentiale, og dermed fortæller, hvor vand løber nedad, og hvad de faktiske højdeforskelle mellem objekter er, hvis man ville måle dem ud fra en fælles standard som f.eks. Jordens tyngdecentrum. I sådanne absolutte termer vil Mount Kilimanjaro f.eks. være en del højere end Mount Everest. En fælles referenceramme for højdemålinger har også stor betydning for måling af klimabetingede ændringer af vandhøjder og af ismasser over Grønland og Antarktis, ligesom den kan bruges til at finde eventuelle gas- og oliefelter eller mineralforekomster. Ifølge geofysikere er den også brugbar til at se vulkansk aktivitet, pladetektoniske forskydninger og resultaterne af jordskælv.

Men også rent praktiske ingeniøropgaver vil nyde godt af de nye data fra GOCE-satellitten. Da Øresundsbroen blev bygget, skulle ingeniørerne bruge mange kræfter på at tilpasse de danske og svenske højdeangivelser, da der endnu ikke fandtes nogen fælles standard. Det samme var tilfældet med tunnelen under den engelske kanal, hvor man på trods af meget nøjagtige lasermålinger fandt en forskel på 50 centimeter, netop fordi de franske og engelske lasere ikke var kalibreret ens, men var linket til forskellige reference-overflader.

Fremtidens GPS-modtagere vil således helt sikkert indeholde en model af GOCE-geoiden for at kunne måle den helt nøjagtige højde og position. GOCE vil dermed også få stor betydning for det globale navigationssatellitsystem (GNSS), også kaldt Galileo, som lige nu er ved at blive bygget af ESA og EU.

Hvis Jorden var en perfekt ikke-roterende kugle, ville man have en ganske kedelig geoide med en gravitationskonstant på 9,8072467 m/s2 alle steder. Rotationen om egen akse gør, at Jorden flader ud ved polerne, hvilket giver en forskel i diameter målt ved ækvator og ved polerne på cirka 42 kilometer. Det betyder også, at tyngdekraften varierer i anden decimal fra ca. 9,83 ved polerne til ca. 9,78 ved ækvator. Med andre ord vil en person, der ved ækvator vejer 100 kilo, ved polerne veje 100,5 kilo. Det skyldes centrifugalkræfterne, der får ækvator-regionen til at bule ud. Ville Jorden for eksempel rotere med en døgnvarighed på lidt under 1,5 time, ville en person ved ækvator veje nul kilo og kunne svæve i luften.

Store bjerge og bjergkæder påvirker tyngdekraften lidt mindre end rotationen (se grafik). Hvis man for eksempel ville skære Himalaya fra, ville tyngdefeltet ændres i tredje decimal. Irregulær massefordeling i Jordens indre vil kunne forskyde tyngdefeltet i fjerde decimal. Hydrologiske cirkulationer vil kunne ses på den femte decimal og byer og store huse på sjette og syvende decimal osv.

Høj opløsning
Det bemærkelsesværdige ved GOCE-data er deres høje opløsning, som gør, at man kan måle nøjagtigheden af geoiden ned til sjette decimal. Kobler man desuden GOCE-data med de to GRACE-satellitters data, vil man kunne få et nøjagtigt og samtidig dynamisk billede af de langsomme omfordelinger af masse inde i Jorden og på overfladen. GRACE-satellitterne er to identiske satellitter, som flyver i en polar bane 220 kilometer fra hinanden i en højde på 500 kilometer over Jorden. De er så følsomme, at de kan måle ændringer i deres indbyrdes afstand på 10 mikrometer, hvilket svarer til en tiendedel af bredden af et menneskehår.

Ved hjælp af GRACE har man for eksempel fundet ud af, at Grønland taber hurtigere is end Antarktis, og at den samlede havvandsstigning associeret med dette istab for 2010 er 1,3 millimeter (+/- 0,4); et tal, der helt sikkert vil stige, efterhånden som afsmeltningen tager til i styrke. Kombinationen af GOCE og GRACE vil også give en bedre forståelse af havstrømme, udtømningen af vandbassiner og af ørkendannelse.

ESA forventer, at solcellerne og den 40 kilo tunge xenon-tank, der holder GOCE i sin omløbsbane omkring Jorden ved at skyde små mængder af xenon-atomer ud, vil kunne holde et par år længere end forventet, dvs. til 2014. Det skyldes den usædvanligt lave solaktivitet, der har gjort den øvre atmosfære mere rolig end normalt, hvilket har krævet mindre energi til at holde satellitten oppe.

0 comments:

There was an error in this gadget