Majdnem tönkrement, de újra üzemel a valaha készült legpontosabb műszer, amely egy űrszonda fedélzetéről vizsgálja Földünk gravitációs terét. A műszer adatai alapján pontosan meghatározható a Világtenger felszínének domborzata, követhető a tengeráramlások és a jégtömegek mozgása, és az éghajlatváltozással kapcsolatos előrejelzések is pontosíthatók.

2010. július 18-án az Európai Űrügynökség (ESA) egyik munkatársához ijesztő telefonhívás érkezett: a földi irányítók szerint a nemrég felbocsátott GOCE műhold nem közvetített adatokat. A közel másfél éve üzemelő űreszköz feladata, hogy minden korábbinál pontosabban feltérképezze bolygónk gravitációs terét és annak csekély változásait - azonban éppen a legfontodabb berendezése "hallgatott el" váratlanul.

Különféle módszerekkel próbálkoztak a műhold egyébként megfelelően üzemelő központi számítógépénél, hogy kiderítsék a gravitációs tér jellemzőit érzékelő detektor hibáját, de sokáig nem jártak sikerrel. Egészen szeptemberig húzódott a probléma, amikor váratlan módon jött a megoldás: a detektor hirtelen megjavult, amikor a szonda hőmérsékletét megemelték.

Egy szokatlan, áramvonalas műhold

A GOCE (Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer) műhold 2009. március 17-én startolt. A közel egy tonna tömegű űreszköz az Európai Űrügynökség (ESA) "Living Planet Programme" sorozatának első tagja. A műhold közel kör alakú, az egyenlítői síkhoz képest 96,5°-os hajlásszögű pályán mozog a Föld körül. Ezen keringve kétszer 6 hónapos mérési időszakban szolgáltat részletes adatokat a földi gravitációs térről. Ilyen pontos mérésekre viszonylag kis keringési magasságban nyílik ideális lehetőség. Itt azonban a felsőlégkör fékező hatása már erős - ennek csökkentésére építették áramvonalas alakúra a műholdat.

A szondának lövedékre emlékeztető formája révén viszonylag csekély a légellenállása, ennek ellenére érezhetően fékeződik. Ezt ellensúlyozandó a brit készítésű ionhajtómű rendszeresen módosítja a GOCE útvonalát, és megakadályozza, hogy túlságosan alacsonyra ereszkedjen. Mindezt szerény nyomatékkal, 1 és 20 millinewton közötti értékkel teszi. Ez nagyjából akkora erővel egyenértékű, mint amit néhány papírlap fejt ki az asztal felületére, amelyen fekszik.

A tesztidőszakban a hajtóművel és a nélküle végzett keringéseket egyaránt vizsgálták. Megállapították, hogy azt 8,3 millinewton tolóerővel üzemeltetve egy keringés során 150 méterrel emelkedik a pálya magassága. A szonda a felbocsátás után 283 kilométer magas útvonalra került. Jelenleg 275 kilométer a keringési magassága, amelyet 263 kilométerig engednek csökkenni, majd ismét emelkedésre váltanak.

 

 

A GOCE műhold mozgásának pontos követésével a földi geoid alakját minden korábbinál pontosabban sikerül feltérképezni (ESA - AOES Medialab)

Első eredmények a szuperérzékeny üzemmódtól

A GOCE műhold 2010. április 6-án szuperérzékeny megfigyelési üzemmódra váltott, és megkezdte az első adatok rögzítését a földi gravitációs térről. Hat gyorsulásmérője (gradiométere) nagyon csekély sebességváltozást is képes detektálni, a földfelszíni nehézségi gyorsulás 1000 milliárdod részével egyenértékű eltéréseket is ki tud mutatni. Az érzékeny detektorok miatt még az sem volt biztos, hogy a startot károsodás nélkül elviseli a rendszer. Később a bevezetőben leírt probléma jelentkezett, de azt sikerült orvosolni, és a mérések folytatódtak. Jelenleg a műhold minden rendszere a tervezettnek megfelelően üzemel.

 

 

A hat gyorsulásmérőt tartalmazó érzékeny gradiométer (ESA, Medilab)

Az első eredmények alapján az Indiai-óceánnál depresszió (mélyedés) mutatkozott a geoid szintfelületét tekintve, ugyanakkor az Észak-atlanti-térségben és a Csedes-óceán északi vidékén egy plató figyelhető meg, ahol a geoid szintfelülete magasabb az átlagosnál - mindezek feltehetőleg a földköpenyben zajló anyagáramlásokkal kapcsolatban keletkeztek. (A geoid Föld elméleti alakja, a nehézségi erő azon szintfelülete, amely a nyugalmi tengerszinttel esik egybe.) Az alábbiakban látható az első részletes térkép a műholdtól, amely a földi gravitációs erőtér területi eltéréseit mutatja. Jól megfigyelhető rajta az előbb említett két jelenség.

Forrás: GOCE High Level Processing Facility
A gravitációs tér azonos erejű szintfelületétől mérhető eltérések színekkel ábrázolva. A kék szín az átlagosnál gyengébb, a vörös az erősebb gravitációs teret jelöli. A kép nagyméretű változatának letöltése (GOCE High Level Processing Facility)

A GOCE méréseiből meg lehet majd állapítani, hogy az óceán felszínének domborzatában jelentkező szabálytalanságokat a gravitációs tér sajátságai, vagy szelek, légköri nyomáskülönbségek, tengeráramlások, esetleg a Föld forgásával kapcsolatban fellépő hatások okozzák. Mindez segítséget nyújt az óceáni áramlások feltérképezésében, amelyek általában hosszanti kiemelkedések formájában jelentkeznek a víztükör domborzatában. Az így pontosított áramlási adatok segítenek az éghajlati rendszer működésének jobb megértésében, és pontosíthatók a globális felmelegedéssel kapcsolatos előrejelzéseket is. A tengerszint magasságának pontos ismerete fontos információ az olvadó jégtömegek vízszintet növelő hatásának előrejelzésében, és a szárazföldi jég mennyiségének becslését is pontosítják a GOCE adatai.

Érdekes információkat nyújthat a GOCE az Antartisz keleti részén feltételezett, 500 kilométer átmérőjű, jégbe temetett kráterrel kapcsolatban is. A becsapódásnyom egy nagy globális kihalással lehet kapcsolatos a földtörténeti múltból.

Magyar kutatók a GOCE programban

Hazánk szakemberei az Európai Űrügynökség kutatóprogramja keretében részt vesznek a GOCE műhold munkájában. A Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Általános és Felsőgeodézia Tanszéke, valamint az MTA Fizikai Geodézia és Geodinamikai Kutatócsoportja is elemzi az űrszonda adatait. A magyar kutatók korábban a két GRACE műhold mérési adatainak vizsgálatában működtek közre a gravitációs együtthatók elemzésével. Ezúttal a GOCE műholdnál is hasonló munkát végeznek, azonban sokkal részletesebb adatokat felhasználva.

 

 

Film a műhold felbocsátásról (GOCE, ESA)

 

Űrgravimetria

Bolygónk gravitációs tere a világűrből jól vizsgálható. Ennek során a műholdak mozgását kell nagy pontossággal elemezni: a Föld körül keringő testek sebességének apró változásai pontosan mutatják a gravitációs tér egyenetlenségeit. Ugyanakkor a felsőlégkör súrlódása is hat a pályájukra, utóbbi pedig erősen függ a naptevékenységtől.

Az összetett helyzet ellenére a Föld körüli pályáról ideális lehetőség nyílik a bolygónkon lezajló tömegátrendeződések vizsgálatára. Az évszakosan vándorló hó és jégtömegek, a világtenger és a légkör áramlási rendszereitől kis mértékben, de módosul bolygónk tömegeloszlása. Az űrgravimetria így sok éghajlati folyamat, köztük a globális felmelegedés hatásainak vizsgálatához is adatokat szolgáltat.


Hazánkban az űrbeli mérési eredményeket kombinálják a földfelszíni adatokkal. Az országban régóta végzett Eötvös-inga-méréseket különböző próbaszámításokkal együtt felhasználják a gravitációs erőtér időbeli változásainak kimutatására. A szakemberek 2001 óta egy állandó GPS mérőállomás, és 2004 óta a GPS rendszert pontosító EGNOS követőállomást is üzemeltetnek, eredményeik révén közreműködtek az európai helymeghatározó rendszer, a Galileo fejlesztésében is.

 

 

Animáció a GOCE műhold mozgásáról. A mérések a jégtakaró jellemzőinek és a kőzetburokra kifejtett terhelésének megismerésében is segítenek (ESA - AOES Medialab)