Geoida – po raz pierwszy w HD

Gdzie żyje się nieco lżej, a gdzie jesteśmy trochę bardziej przybici do gruntu? Na te pytania odpowiada pierwsza superdokładna mapa ziemskiego pola grawitacyjnego. W zaledwie dwa miesiące wykonał ją niezwykły kosmiczny grawimetr – satelita GOCE.

Wyobraźmy sobie na chwilę, że całą Ziemię pokrywa ocean. Nie ma suchego lądu o nieregularnej powierzchni – jedynie gładkie lustro wody. Jaki kształt miałaby taka Błękitna (w stu procentach) Planeta? Pierwsza myśl – kula, pewnie nieco spłaszczona biegunowo ze względu na wirowanie wokół swojej osi, czyli tzw. elipsoida obrotowa – jest błędna.

Nieregularności w budowie wewnętrznej Ziemi prowadzą do powstania na jej powierzchni obszarów o nieco słabszym lub o nieco silniejszym polu grawitacyjnym. Wody takiego superoceanu spływałyby z tych pierwszych do tych ostatnich. W efekcie Ziemia miałaby wybrzuszenia niczym wysłużona, tandetna piłka do kosza. Taki kształt, wyznaczony przez budowę Ziemi i prawo powszechnego ciążenia, nosi nazwę geoidy. W efekcie geoida jest mapą ziemskiego przypowierzchniowego pola grawitacyjnego.

Nie jest to jedynie czysta abstrakcja i akademicka ciekawostka. Dokładna znajomość nieregularności w przyspieszeniu ziemskim (a więc, równoważnie, kształtu geoidy) jest niezbędna w tworzeniu modeli oceanograficznych, klimatologicznych i geofizycznych. Pomaga w zrozumieniu wnętrza Ziemi, cyrkulacji wód oceanicznych czy dynamiki polarnych czap lodowych.

Nic dziwnego, że w ubiegłym roku na orbitę okołoziemską wystrzelono satelitę o nazwie GOCE (Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer – „Badacz pola grawitacyjnego i cyrkulacji wody w oceanach w stanie spoczynku”). Jednym z jej zadań jest wykonanie superdokładnej, globalnej mapy przyspieszenia ziemskiego. Jej wstępna wersja jest już gotowa – pokazuje ją rysunek u góry strony.

Mapa wyskalowana jest w różnicy między powierzchnią geoidy a powierzchnią idealnej elipsoidy obrotowej. Niebieskie obszary odpowiadają więc nieco słabszej grawitacji, natomiast pomarańczowe – silniejszej. Najlżej jest zatem mieszkańcom Sri Lanki. Najciężej – Islandczykom i Papuasom. W Polsce jest nam tylko nieznacznie ciężej niż wynikałoby to z naszej szerokości geograficznej.

A oto animacja przedstawiająca geoidę (w celach poglądowych nieregularności w jej kształcie są przesadzone o kilka rzędów wielkości!).

Interesujący jest też sam satelita GOCE (na grafice obok). Aby zbierane przez niego dane były możliwie najdokładniejsze, krąży on po stosunkowo niskiej orbicie – zaledwie 255 km nad poziomem morza. Na takiej wysokości znajduje się jeszcze nieco cząsteczek atmosfery. Aby urządzenie utrzymało odpowiednią prędkość pomimo szczątkowego tarcia, zaopatrzone jest w pracujący na okrągło silnik jonowy. Odczyty satelity mają mieć dokładność równą jednej dziesięciobilionowej (!) standardowej wartości przyspieszenia ziemskiego.

Na razie NASA upubliczniła wyniki pierwszych 2 miesięcy pracy GOCE. Dalsze dane mają ukazywać się stopniowo przez najbliższe miesiące.