Hochpräzise Messungen des Gravitationsfeldes der Erde durch den GOCE-Satelliten haben die bislang detaillierteste Kartierung subtiler Schwerkraftänderungen auf der Erdoberfläche ergeben.
Subtile Gravitationsunterschiede auf der Erdoberfläche werden mit beispielloser Genauigkeit gemessen GSchwerkraftfeld und Steady-State Ocean CZirkulation Explorer (GOCE) Satellit, gebaut und betrieben von der Europäischen Weltraumorganisation. Die Daten bieten Wissenschaftlern eine solide Grundlage für die weitere Erforschung der Ozeanzirkulation, der Veränderung des Meeresspiegels, der Struktur und Dynamik des Erdinneren sowie der Bewegungen der tektonischen Platten der Erde, um Erdbeben und Vulkane besser zu verstehen.
GOCE wurde am 17. März 2009 vom Plesetsk-Kosmodrom in Nordrussland aus gestartet. Es wurde von einer modifizierten ballistischen Interkontinentalrakete in die Umlaufbahn befördert (stillgelegt nach dem Vertrag über strategische Rüstungsreduzierung). Das Hauptinstrument für die Datenerfassung des Satelliten ist a Gradiometer; Es erkennt sehr kleine Schwankungen der Gravitationskraft, wenn es sich über die Erdoberfläche bewegt. Es gibt auch einen GPS-Empfänger (Global Positioning System), der mit anderen Satelliten zusammenarbeitet, um nicht gravitative Kräfte zu identifizieren, die den GOCE beeinflussen können, sowie einen Laserreflektor, mit dem der GOCE von bodengestützten Lasern verfolgt werden kann.
Animation des GOCE-Geoids. Gutschrift: ESA.
Diese Animation einer sich drehenden "kartoffelartigen" Erde zeigt ein sehr genaues Modell des Erdgeoids, das aus Daten von GOCE erstellt und am 31. März 2011 auf dem vierten internationalen GOCE-Anwender-Workshop in München veröffentlicht wurde. Farben repräsentieren Höhenabweichungen (–100 bis +100 Meter) von einem „idealen“ Geoid. Die blauen Farben stehen für niedrige Werte und die roten / gelben für hohe Werte. Dieses Geoid repräsentiert keine tatsächlichen Oberflächenmerkmale auf der Erde. Stattdessen handelt es sich um ein komplexes mathematisches Modell, das aus GOCE-Daten aufgebaut ist und die relativen Schwerkraftunterschiede auf der Erdoberfläche stark übertrieben zeigt. Man kann es sich auch als die Oberfläche eines „idealen“ globalen Ozeans vorstellen, der nur von der Schwerkraft geprägt ist, ohne den Einfluss von Gezeiten und Strömungen.
https://www.youtube.com/watch?v=E4uaPR4D024
Wissenschaftlich ist ein Geoid definiert als ÄquipotentialflächeDas heißt, eine Oberfläche, die immer senkrecht zum Gravitationsfeld der Erde ist. Eine Abbildung im Wikipedia-Eintrag darüber (siehe unten) enthält eine Beschreibung auf hoher Ebene: In der Abbildung zeigt die Lotlinie (ein an einer Schnur befestigtes Gewicht) an jeder Stelle immer in Richtung des Erdschwerpunkts. Daher ist eine hypothetische Fläche, die senkrecht zu dieser Lotlinie steht, eine lokale Geoidfläche. Wenn sie mathematisch zusammengenäht und auf einen mittleren Meeresspiegel kalibriert werden, bilden diese senkrechten Oberflächen an vielen Orten auf der Erde ein Geoid, ein Modell dafür, wie sich die Schwerkraft über der Erdoberfläche ändert.
Diagramm zur Veranschaulichung der grundlegenden Konzepte zum Erstellen eines Geoids. Die Abbildung zeigt: 1. Ozean; 2. ein Referenzellipsoid; 3. lokale Lotlinie; 4. Kontinent; 5. Geoid. Bildnachweis: MesserWoland über Wikimedia Commons.
Die Gravitationslandschaft eines Geoids basiert ausschließlich auf der Masse und Morphologie der Erde. Wenn sich die Erde nicht dreht, keine Luft-, See- oder Landbewegung stattfindet und das Erdinnere gleichmäßig dicht ist, ist ein Geoid eine perfekte Kugel. Durch die Erdrotation werden die Polarregionen jedoch leicht abgeflacht, sodass die Erde ein Ellipsoid anstelle einer Kugel ist. Dadurch ist die Schwerkraft an den Polen etwas stärker als am Äquator. Kleinere Schwankungen der Schwerkraft auf der Erdoberfläche werden durch Unterschiede in der Dicke und Gesteinsdichte der Erdkruste sowie durch Dichteunterschiede und Konvektion tief im Erdinneren verursacht.
Wissenschaftler können das auf GOCEs Daten basierende hochauflösende Geoid als Gravitationsbezugsrahmen für andere geowissenschaftliche Untersuchungen verwenden. Die Zirkulation der Ozeane, Änderungen des Meeresspiegels und das Abschmelzen der Eiskappen - wichtige Indikatoren für den Klimawandel - verursachen Schwankungen der tatsächlichen Ozeanoberflächenhöhen, die von anderen Erdobservatorien gemessen werden können. Diese Beobachtungen, die mit einem guten Geoidmodell kalibriert wurden, werden wesentlich zum besseren Verständnis der Klimadynamik der Erde beitragen.
Dichteunterschiede und Konvektion im Erdmantel wirken sich auch auf das Gravitationsfeld aus. Zum Beispiel zeigt das GOCE-Geoidmodell eine "Depression" im Indischen Ozean und "Hochebenen" im Nordatlantik und im westlichen Pazifik. Schwerkraftdaten könnten Signaturen von starken Erdbeben und Vulkanen anzeigen und Erkenntnisse liefern, die Wissenschaftler eines Tages bei der Vorhersage dieser Naturkatastrophen unterstützen könnten. Es gibt auch wichtige Anwendungen in den Bereichen Geoinformationssysteme, Bauingenieurwesen, Kartierung und Exploration, die durch ein verfeinertes Geoidmodell erweitert werden.
Ingenieure arbeiten an GOCE GOCE im Reinraum des Kosmodroms Plesetsk in Russland. Bildnachweis: ESA.
Seit seinem Start im März 2009 sammelt GOCE mit Ausnahme einer kurzen Zeitspanne für die Überprüfung von Raumfahrzeugsystemen und einer vorübergehenden Betriebsstörung Daten über das Gravitationsfeld unseres Planeten, wenn es die Erde in einer ungefähren Nord-Süd-Richtung (polare Umlaufbahn) umkreist eine Höhe von nur 250 Kilometern. Dies ist ungewöhnlich niedrig für eine erdnahe Umlaufbahn, aber erforderlich, da die besten Gravitationsfeldmessungen erzielt werden, wenn sich GOCE der Erdoberfläche so nah wie möglich nähert, während die Umlaufbahn beibehalten wird. Die aerodynamische Form des Satelliten hilft, ihn zu stabilisieren, wenn er auf dem Rand der Atmosphäre schwebt. Die verdünnte Luft verursacht jedoch zwangsläufig einen Luftwiderstand auf dem Satelliten, der ihn verlangsamt. Um die Umlaufgeschwindigkeit aufrechtzuerhalten, nutzt GOCE daher sein Ionenantriebssystem, um sich gelegentlich selbst einen Schub zu geben.
Die Mission sollte ursprünglich 20 Monate dauern, die geschätzte Zeit, die GOCE benötigt hätte, um ihren gesamten Treibstoff zu verbrauchen. Aber ein ungewöhnlich leises Minimum an Sonnenzyklen hatte die obere Atmosphäre verdünnt und den Luftwiderstand des Satelliten verringert, wodurch Treibstoff gespart werden konnte. Aufgrund der verbleibenden Treibstoffreserven wurde die Mission bis Ende 2012 verlängert, sodass GOCE weiterhin Daten sammeln kann, die die ohnehin hohe Präzision seiner Schwerkraftmessungen erhöhen.
Künstlerische Darstellung von GOCE im Orbit über der Erde. Eine Seite des Satelliten ist immer der Sonne zugewandt. Sonnenkollektoren auf der Sonnenseite versorgen das Raumschiff mit Strom. Sie bestehen aus Materialien, die Temperaturen von bis zu 160 ºC (320 ºF) und von bis zu -170 ºC (-274 ºF) standhalten. Bildnachweis: ESA.