Nu ska jordens gravitationsfält mätas exakt
ESA visade nyligen upp sin GOCE-satellit för media vid organisationens forskningscentrum ESTEC i Holland. GOCE ska studera jordens gravitationsfält, något som är viktigt både för klimatforskning och för vardagligare saker som lantmäteri och GPS. Uppsändningen är planerad till slutet av sommaren.
Efter uppsändningen av den mycket ambitiösa miljöövervakningssatelliten Envisat 2002 började ESA utveckla Earth Explorer-programmet som ett sätt att snabbt och kostnadseffektivt kunna ge svar på viktiga vetenskapliga frågor. GOCE är den första satelliten i programmet. GOCE:s markkontrollstation ligger i Kiruna. Där är den optimalt placerad för att ta emot signalerna från en satellit med en polnära bana som GOCE. Kiruna har också bra datakapacitet och är en beprövad station.
GOCE står för Gravity field and steady state Ocean Circulation Explorer, och satelliten ska mäta de mikroskopiska förändringarna i jordens gravitationsfält som beror på att vår planet inte är en homogen kropp. Jorden består av bergarter med olika densitet och ytan består av kontinenter med upp till nästan tio kilometer höga bergskedjor och djuphav med upp till drygt tio kilometer djupa gravar. Tillsammans gör det att jordens gravitationsfält blir "gropigt. Ska man göra en modell av jordytan som är plan i den meningen att en boll inte rullar åt något håll någonstans på den så blir den ytan ojämn. En sådan "plan" representation av jordytan kallas geoiden.
– Det är viktigt för lantmäteri och intilliggande områden att känna till gravitationsfältet så noga som möjligt, säger Lars E. Sjöberg på Kungliga tekniska högskolan. Inom lantmäteriet kommer tyngdkraften in i nästan alla våra mättekniker. Det är lodlinjen man ställer upp instrumenten mot, och då är det givetvis oerhört viktigt att känna till hur lodlinjer ser ut just där man mäter, och då måste man känna till exakt hur gravitationsfältet ser ut.
Lars E. Sjöberg är professor i geodesi vid KTH och är en av de svenska forskare som ser fram emot GOCE-data senare i år.
Exakt geoid viktig för GPS
Tyngdkraftsfältet och geoiden är även viktiga att känna till för att få exakta referensytor, exempelvis i höjdled.
– Det här har exploderat i och med GPS säger Lars E. Sjöberg. Där gör man höjdmätningar relativt en nollnivå.
Nollnivån för GPS är en ostörd genomsnittshavsyta, som havsytan sett ut om jordens gravitationsfält vore fullständigt homogent.
– Men den nollnivån störs, den är inte en enkel yta. Istället för en matematiskt perfekt ellipsoid har vi geoiden. GPS ger höjden över referensellipsoiden. Men vi vill ju ha höjd över havet.
Har man inte koll på geoiden skulle man i princip kunna hamna under vatten fastän GPS:en säger att man borde vara på torra land, och tvärtom.
GOCE mäter polarisar och kartlägger jordbävningsområden
Tillsammans med andra satellitdata kan geoiden också säga oss mycket om hur havsströmmar beter sig och varför de rör sig som de gör.
Bättre kunskap om detta är inte minst viktigt för klimatforskningen. Havens strömmar hör till jordens viktigaste energitransportsystem. GOCE kommer att kunna mäta dessa detaljer med en precision och upplösning som dagens satelliter inte förmår.
Satelliten kommer också att ge värdefulla data om polarisarna och havsnivåändringar. GOCE gör dessutom likt andra satelliter något jordbaserade mätningar inte kan gör – de täcker in jordens många vita fläckar. I exempelvis polartrakterna fanns inga geodetiska mätningar alls före satelliterna.
Seismiska händelser är ett annat område där GOCE kan ge viktiga bidrag.
– Vi ser ett väldigt tydligt samband mellan jordbävningsområden och områden med stora förändringar i geoiden. Därför vill vi kartlägga sådana områden på jordytan, säger Lars E. Sjöberg.
Lågsniffar i atmosfärens överkant
För att kunna göra så detaljerade mätningar som möjligt måste GOCE flyga så lågt som möjligt – på endast 260 kilometers höjd, att jämför med den internationella rymdstationens 350 kilometer. Det betyder att den kommer att segla över jordytan i atmosfärens allra yttersta lager. Där kommer luftmotståndet att vara så stort att det blir ett problem. Luftmotståndet gör att satelliten inte flyger riktigt rakt helt enkelt.
GOCE använder accelerometrar som består av sex testmassor som svävar fritt inne i burar eller lådor i ett elektriskt fält för att mäta gravitationsfältet. Massorna måste vara fullständigt ostörda för att ge bra resultat, och ostörd är vad GOCE inte kommer att vara på sin låga höjd.
För att lösa detta problem har GOCE motorer som kompenserar för atmosfärens oregelbundna inverkan. GOCE använder elektriska jonmotorer som först testflögs på den svenska teknikdemonstratorn SMART-1.
De ska i princip se till att GOCE håller sin position runt testmassorna så att de kan falla fritt runt jorden. Motorerna måste vara oerhört exakta. Effekterna de ska kompensera för motsvarar ungefär effekten av en mygga som kolliderar med en bil i motorvägsfart.
