SRON - De aarde is niet rond

De canon "Vijftig jaar Nederlands ruimteonderzoek" is opgesteld in 2012.

Tuesday May 30th, 2023

GOCE: De aarde is niet rond

Missie in het kort
Belangrijkste resultaten
Voortgezet onderzoek
Links

Missie in het kort

De ESA-missie Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer (GOCE) wordt gelanceerd op 17 maart 2009 met een Russische Rockot-raket vanaf de basis Plesetsk. Vanuit een cirkelvormige baan op 260 kilometer hoogte doet de satelliet gedurende minimaal 20 maanden metingen aan het zwaartekrachtsveld van de aarde. De ruwe meetgegevens komen binnen via grondstations in Zweden en Noorwegen, worden voorbewerkt door de ESA-vestiging ESRIN in Italië en definitief verwerkt tot eindproducten via het High-level Processing Facility (HPF). Bij dat laatste is Reiner Rummel de Principal Investigator (wetenschappelijk projectleider). Hij geldt als een van de initiatiefnemers van de missie. Mede hierdoor zijn de Technische Universiteit Delft, waar hij hoogleraar is van 1980 tot 1992, en SRON nauw betrokken bij deze missie.

GOCE heeft vier belangrijke onderzoeksterreinen:

Onderzoek van de vaste aarde. Hoe is de planeetbol opgebouwd en welke materiebewegingen vinden er plaats? Deze bewegingen vormen onder andere de ‘motor’ achter het verschuiven van de continenten (plaattektoniek) en de daarmee gepaarde gaande verschijnselen als aardbevingen en vulkanisme.
Onderzoek van de grootschalige oceaanstromingen. Wat is het precieze stromingspatroon en op welke manier draagt dit bij aan de verdeling van zonne-energie (warmte) over de aarde? De stromingen staan onder andere onder invloed van zwaartekrachtsverschillen over de planeet.
Het ijken van een wereldwijd referentiesysteem om hoogtes te bepalen op het oppervlak. Hiermee kunnen landschapsveranderingen (stijgen, dalen) maar ook veranderingen in het zeeoppervlak (zeespiegel stijging of daling) in kaart worden gebracht.
Onderzoek van de dikte van poolkappen, de veranderingen daarin en de bewegingen die in poolkappen zijn waar te nemen. Met deze informatie kan beter worden vastgesteld op welke manier de ijskappen reageren op onder andere klimaatsveranderingen.

GOCE bepaalt de vorm van de geoïde met een nauwkeurigheid van enkele meters in de hoogteverschillen, en een ruimtelijke nauwkeurigheid van ongeveer tien kilometer aan het aardoppervlak. De geoïde is een gekromd oppervlak. Dat vlak komt overeen met de vorm van het wateroppervlak wanneer de aarde geheel zou zijn bedekt door stilstaand water. Op de geoïde is het vlak dus altijd waterpas: de zwaartekracht is er overal even sterk en staat loodrecht op het vlak.
Lees meer: de vorm van de geoïdeDe vorm van de geoïde komt in eerste instantie overeen met de ellipsoïde van de aardbol. De aarde is geen zuivere bol omdat de rotatie om de as in 24 uur er voor zorgt dat de planeet een beetje is afgeplat; de afstand van het midden van de aarde tot de pool is ruim 21 kilometer minder dan tot de evenaar. Als je nauwkeurig naar de geoïde kijkt blijkt dat er afwijkingen tot in de orde van 100 meter voorkomen ten opzichte van deze referentie ellipsoïde. De reden is dat de massa niet gelijkmatig over de aardbol is verdeeld. Bijgevolg treden langs het aardoppervlak kleine verschillen in zwaartekracht op, waardoor water- en ijsmassa’s in hun beweging worden beïnvloed.

Hoe meet GOCE het zwaartekrachtsveld van de aarde? Eigenlijk is de satelliet één ‘zwaartekrachtsmeter’. Het hoofdinstrument – de Electrostatic Gravity Gradiometer (EGG) – bestaat uit zes versnellingsmeters, elk 50 centimeter lang, die paarsgewijs loodrecht op elkaar zijn gemonteerd. Binnen elke versnellingsmeter wordt nauwkeurig bepaald hoe een vrij-zwevende testmassa reageert terwijl de satelliet zijn baan doorloopt. Door de opstelling worden de heel subtiele versnellings- en vertragingseffecten gemeten in drie richtingen: in de voortbewegingsrichting van de satelliet, in de zijwaartse richting loodrecht hierop, en in de hoogterichting vanaf de baan loodrecht naar het middelpunt van de aarde. Het gedrag van de testmassa’s wordt afgeleid uit de metingen met elektrostatische detectoren.
Lees meer: meettechniek GOCEOm het effect van een zuivere ‘vrije val’ van de testmassa in de baan om de aarde te bereiken, compenseert de satelliet voortdurend de invloed van remming door zeer ijle flarden van de atmosfeer op de baanhoogte. Ook de stralingsdruk van de zon (en de aarde) zorgen voor minieme verstoringen. Hiertoe beschikt de satelliet over twee ionenmotor-systemen, waarbij er een als reserve dient. Met de ionenmotor kan een ‘stuwkracht’ worden opgewekt van 1 tot 20 milliNewton.

Op zich zou je GOCE ook in een veel hogere baan kunnen laten ronddraaien, waar de remmingseffecten te verwaarlozen zijn. Maar dan is het te meten zwaartekrachtssignaal óók veel zwakker. De gekozen baanhoogte is een compromis en berekend aan de TU in Delft. Een tweede instrument pakket – Satellite-to-Satellite Tracking Instrument – bepaalt met behulp van GPS-satellieten steeds precies waar GOCE zich bevindt. Deze gegevens worden regelmatig geijkt door precisie metingen uit te voeren met laserstralen die vanaf grondstations op de satelliet worden gericht en die weerkaatsen via speciale reflectoren. Uit het verschil tussen vertrek- en aankomsttijd van laserpulsen kan de afstand tot het grondstation binnen centimeters worden bepaald.

Belangrijkste resultaten

Het zal duidelijk zijn dat GOCE niet ‘even’ aansprekende plaatjes kan maken van het aardse zwaartekrachtsveld. Er is immers geen afbeeldingssysteem. Een stroom aan gegevens van de versnellingsmeters, GPS-data en laserexperimenten moet met elkaar in verband worden gebracht en ‘gereduceerd’ tot de eigenlijke metingen van het zwaartekrachtsveld. Omdat GOCE in zijn baan om de aarde draait en de aarde als het ware onder die baan door draait, ‘ziet’ GOCE alle kanten van de geoïde. Vele van deze ‘opnames’ moeten met elkaar worden gecombineerd voordat ‘het eindproduct’ ontstaat. Ongeveer twee jaar na de lancering kan dan ook de eerste ‘GOCE-geoïde’ worden gepresenteerd; verdere metingen scherpen dit resultaat nog aan.

Het gebruik van de geoïde in de genoemde onderzoeksterreinen begint in feite pas na deze oplevering. Maar nu al is duidelijk dat de geoïde een ingewikkelde vorm heeft met 'gaten' en 'uitstulpingen' als gevolg van de niet helemaal gelijkmatige verdeling van de massa in de aardbol. De metingen zijn onmisbaar om oceaanstromingen beter te modelleren in computers, en dat is weer belangrijk voor nauwkeurige modellen die klimaatsveranderingen berekenen. GOCE draagt ook bij aan een betere kennis over het inwendige van de aarde en de opbouw van de kern en de verschillende lagen in de aardmantel.

SRON heeft de leiding van het Calibration and Monitoring Facility (CMF) en is daarna betrokken bij de High-level Processing Facility (HPF) waar de voorbewerkte gegevens worden herleid tot eindproducten als de geoïde. SRON is ook verantwoordelijk voor de kwaliteitsbewaking van de gegevens en de gegevens-infrastructuur.

Voortgezet onderzoek

GOCE is een geodesiemissie van ESA en past in een serie satellieten (Earth Explorer) die tot doel hebben om de verschillende onderdelen van systeem aarde nauwkeurig te onderzoeken.

Living Planet. Dit ESA-programma bevat cornerstone missies en opportunity missies. Hiertoe behoort GOCE, maar ook ADM-Aeolus (meet verticale bewegingen in de atmosfeer, gepland voor 2013) en EarthCARE (balans tussen inkomende en uitgaande straling (stralingsbalans), invloed van wolken en stofdeeltjes, gepland voor 2015). Het programma omvat verder kleinere opportunity missies.
Lees meer: opportunity missiesVoorbeelden zijn SMOS (bodemvocht en zoutgehalte van de oceanen, lancering 2009), CryoSat-2 (ijsbedekking, lancering 2010) en Swarm (aardmagnetisch veld, gepland voor 2012). Kandidaten voor een zevende Earth Explorer missie zijn BIOMASS (inventarisatie van de biomassa op aarde, met name de regenwouden), CoReH2O (kenmerken van de sneeuw, ijs, watercyclus) en PREMIER (relatie tussen sporegassen – anders dan stikstof en zuurstof – met chemische processen in de atmosfeer, de stralingsbalans en klimaatveranderingen) ESA overweegt ook een achtste missie en daarvoor zijn twee missies in beeld. De eerste richt zich op het wereldwijd in kaart brengen van fotosynthese – het proces waarbij in bladgroenkorrels zuurstof wordt geproduceerd. Het tweede voorstel richt zich op het bestuderen van de koolstofcyclus in de biosfeer.

Geodesiemissies. Tot de recente internationale geodesiemissies behoren CHAMP, waarin voor het eerst versnellingsmeters werden gebruikt, en GRACE, waarbij twee satellieten in formatie vliegen en de onderlinge afstandsvariaties worden gebruikt bij het bepalen van het zwaartekrachtsveld. Toekomstige geodesiemissies kunnen zich ook richten op andere planeten, met name Mars en Venus. Zulke missies zullen een schat aan informatie opleveren over de opbouw van deze beide rotsachtige planeten en eventuele platentektoniek. Overeenkomsten en verschillen met de aarde geven fundamenteel inzicht in de vorming en evolutie van aardachtige planeten. Voor het aardgericht onderzoek wordt gedacht aan een mogelijke doorlopende meting van de geoïde om er zo achter te komen welke veranderingen zich in de loop van de tijd voordoen. Bijvoorbeeld als gevolg van massaverplaatsingen in diepere gedeelten van de vaste aarde, of juist aan het oppervlak (aardbevingen, ijskapbeweging, magmabeweging in vulkanische gebieden). Dergelijke missies zouden een combinatie kunnen zijn van de technologie die in GOCE is toegepast, met in formatie vliegende satellieten die ook steeds hun onderlinge afstanden zeer nauwkeurig meten.