Το e-περιοδικό της Γεωδαισίας με τίτλο 'ΓΕΩΔΑΙΣΙΑΣ Δείγματα & Παραδείγματα' είναι, από τον Μάρτιο 2011, το ξεκίνημα μιας μηνιαίας έκδοσης ηλεκτρονικού περιοδικού στο γνωστικό αντικείμενο του Εργαστηρίου Ανώτερης Γεωδαισίας, της Σχολής Αγρονόμων και Τοπογράφων Μηχανικών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου.

Στόχος του περιοδικού

Στόχος του περιοδικού είναι να παρουσιάζει μέσα από άρθρα και δημοσιεύσεις των συναδέλφων μηχανικών αλλα και καθηγητών δείγματα της διεπιστημονικής προσέγγισης της Γεωδαισίας σε πολλούς τομείς των γεωεπιστημών, των εφαρμογών ενδιαφέροντος των Μηχανικών Γεωπληροφορικής (Geomatics Engineering) ή/και Γεωτεχνολογίας (Geotechnology Engineering). Παράλληλα, μέσα από άρθρα που καλύπτουν ζητήματα θεωρίας και πράξης που απασχολούν τους σπουδαστές του χώρου, παρουσιάσεις ενδεικτικών αποτελεσμάτων ερευνητικών έργων, πτυχιακών και μεταπτυχιακών εργασιών, ειδικά αφιερώματα κ.λπ. επιδιώκεται η τεκμηρίωση των εξελίξεων στους ραγδαία εξελισσόμενους τομείς της γεωδαισίας, αλλά και της διασύνδεσή της με τις πολλαπλές γνωστικές ενότητες που διατρέχουν το διδακτικό και ερευνητικό έργο του της ΣΑΤΜ, ΕΜΠ.

Μορφή έκδοσης

Επιδίωξη μας είναι τα ηλεκτρονικά τεύχη του Wiki της Γεωδαισίας να εκδίδονται και να κυκλοφορούν σε περιβάλλον διαδικτύου στην αρχή κάθε μήνα του έτους.

Η γλώσσα των άρθρων του περιοδικού είναι η ελληνική. Κάθε άρθρο θα συνοδεύεται από περίληψη στην αγγλική και ελληνική γλώσσα (150 λέξεις περίπου) και λέξεις κλειδιά (μέχρι 5).

Από την έναρξη του πειράματος GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) το 2002, τρεις ισχυρές σεισμικές δονήσεις έκαναν αισθητή την παρουσία τους στους δορυφόρους: ο σεισμός της Σουμάτρας το 2004 που την επομένη των Χριστουγέννων είχε προκαλέσει το μεγάλο τσουνάμι στον Ινδικό ωκεανό, ο σεισμός της Χιλής το 2010 (μεγέθους 8.8) και ο σεισμός μεγέθους 8.9 της Ιαπωνίας τον Μάρτιο του 2011, με το μεγάλο τσουνάμι που ακολούθησε και τον ισχυρό μετασεισμό προξένησε το πυρηνικό ατύχημα στο Fukushima.

Οι δίδυμοι δορυφόροι της αποστολής GRACE, αποτελούν μέρος μιας σειράς υπερσύγχρονων γεωδαιτικών δορυφόρων με κύριο στόχο να χαρτογραφήσουν το πεδίο βαρύτητας της Γης με πρωτόγνωρη ακρίβεια, παγκόσμια κάλυψη και διακριτική ικανότητα. Είχε προηγηθεί, το 2000, ο δορυφόρος CHAMP (CHAllenging Mini-Satellite Payload) και ακολούθησε το 2009 μια μια νέα, πιο εξελιγμένη αποστολή για μια ακόμη ακριβέστερη χαρτογράφηση του βαρυτικού πεδίου του πλανήτη με το δορυφόρο GOCE (Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer).

Το βαρυτικό πεδίο της Γης δεν είναι στατικό. Οποιαδήποτε ανακατανομή στη μάζα του πλανήτη - κάτι το οποίο μπορεί να προκληθεί από τις χιονοπτώσεις, τις πλημμύρες, το λιώσιμο των πάγων αλλά και τους σεισμούς - επιφέρει σε αυτό μεταβολές. Οι δίδυμοι δορυφόροι της αποστολής GRACE, που είναι γνωστοί στους επιστημονικούς κύκλους με τα παρατσούκλια τους ως "Tom" και "Jerry", το επιβεβαίωσαν με τις μετρήσεις τους οι οποίες έδειξαν ότι οι μεταβολές αυτές επηρέασαν την πορεία των δυο δορυφόρων στην τροχιά τους, δίνοντας στους επιστήμονες τη δυνατότητα να τις καταγράψουν και να τις μελετήσουν "μετρώντας" τις αλλαγές που σημειώνονται στην απόσταση μεταξύ των δυο διαστημικών σκαφών.

Στο συγκεκριμένο άρθρο, το οποίο βασίζεται εν πολλοίς στις σπουδαστικές εργασίες που εκτελέστηκαν ως μέρος του μαθήματος "Εισαγωγή στο Γήινο Πεδίο Βαρύτητας" που διδάσκεται στη ΣΑΤΜ/ΕΜΠ, παρουσιάζεται μια επισκόπηση της τεχνολογίας, των τεχνικών χαρακτηριστικών και των επιστημονικών επιτευγμάτων των αποστολών CHAMP και GRACE για τη μελέτη των διαχρονικών μεταβολών του πεδίου βαρύτητας της Γης σε παγκόσμια κλίμακα και πως αυτές σχετίζονται με τις φυσικές διεργασίες που επιτελούνται στο εσωτερικό και στην επιφάνεια του πλανήτη. Στο επόμενο τεύχος, η παρουσίαση θα επεκταθεί στην περιγραφή της ακόμα σε εξέλιξη αποστολής του δορυφόρου GOCE, της πρωτοποριακής τεχνικής των μετρήσεων που χρησιμοποιεί και της νέας εικόνας του πεδίου βαρύτητας της Γης που έχει ήδη δώσει και πως, ανάμεσα σε πολλές άλλες εφαρμογές, η ακριβής αυτή καταγραφή της βαρύτητας, αναδεικνύεται ως θεμελιώδες μέγεθος για την παρακολούθηση της πορείας και της κατεύθυνσης της κίνησης των ρευμάτων των ωκεανών.

ABSTRACT

From the start of the gravity mission GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) in 2002, three strong earthquakes made their presence felt in the satellites: the Sumatra earthquake in 2004 which after Christmas day had caused the large tsunami in the Indian Ocean, the earthquake in Chile in 2010 (magnitude 8.8) and the Japan earthquake of magnitude 8.9 in March 2011, with the great death toll and damage caused by the huge tsunami that followed and the strong aftershock that caused the nuclear accident in Fukushima.

The twin GRACE satellites, are part of a series of sophisticated geodetic satellites whose main objective is to map the Earth's gravitational field with unprecedented accuracy, global coverage and resolution. Prior to these two satellites, in 2000, the (CHAllenging Mini-Satellite Payload) or CHAMP opened the way and it was followed in 2009 by a new, more sophisticated mission aimed at more precise mapping of the gravitational field of the planet with the satellite GOCE (Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer).

The gravitational field of Earth is not static. Any redistribution of the mass of the planet - which may be caused by rain, floods, melting glaciers and earthquakes - lead to such change. The twin satellites in the GRACE mission, which are known among scientists with the nicknames "Tom" and "Jerry", have confirmed this with their measurements which showed that such changes affected their orbital motion, and hence giving scientists the opportunity to detect them by "monitoring" the changes in the distance-in-space between the two spacecraft.

This article presents an overview of the new technology, the technical characteristics and the scientific achievements of the GRACE mission, and briefly also of the CHAMP mission, and how they allowed us to study the temporal changes in the gravitational field of Earth on a global scale and how these relate to natural the processes taking place in the interior and the surface of the planet. In the next issue, this overview will be extended to describe the ongoing GOCE mission, the innovative sensor fusion techniques being used to produce the new views of the gravitational field of Earth based on the first two years data and how, among many other applications, the satellite is showing that the precise mapping of the gravity field is emerging as a key element for monitoring the progress and direction of movement of ocean currents.

It is shown briefly that the key factors which contributed to the significant progress made since the second half of the last century were due to the advancement of observing techniques for forecasting the behavior of the seas which increased our capability to collect continuous observations of the ocean (and atmosphere), especially after the development of advance geodetic satellite technologies, such as satellite altimetry, and how these data led to the understanding of the dynamics of the ocean.

Keywords: CHAMP, satellite gravity mission GRACE, γήινο πεδίο βαρύτητας.

Η βαρύτητα της Γης δεν είναι η ισχυρότερη δύναμη από τις άλλες θεμελιώδεις δυνάμεις (την ηλεκτρομαγνητική δύναμη, την ασθενή πυρηνική και την ισχυρή πυρηνική αλληλεπίδραση) που κυριαρχούν στον φυσικό μας κόσμο. Παρά το γεγονός αυτό, η βαρύτητα εμφανίζεται παντού, δρα σε μεγάλες αποστάσεις μεταξύ οποιωνδήποτε υλικών σωμάτων και είναι πάντοτε ελκτική έχοντας σημαντική επίδραση στη φύση, στο γαλαξία μας και σε ολόκληρο το σύμπαν.

Η βαρύτητα στη Γη έλκει όλα τα υλικά σώματα και προκαλεί την πτώση τους στην επιφάνειά της όταν αφεθούν ελεύθερα. Επιπροσθέτως, είναι η γενησιουργός αιτία της ύπαρξης της Γης, του Ήλιου, των πλανητών και των άλλων αστρικών σωμάτων. Χωρίς αυτή δεν θα υπήρχε ζωή στον πλανήτη μας, όπως τη γνωρίζουμε σήμερα. Η βαρύτητα είναι επίσης υπεύθυνη για την τροχιά της Γης και των υπόλοιπων πλανητών γύρω από τον Ήλιο, την τροχιά της Σελήνης γύρω από τη Γη, τον σχηματισμό παλιρροιών και άλλα φυσικά φαινόμενα που παρατηρούμε. Για τους λόγους αυτούς η μελέτη του γήινου πεδίου βαρύτητας, μαζί με τη μελέτη του προσδιορισμού του μεγέθους και του σχήματος της Γης, οι επιδράσεις της βαρύτητας στους τεχνητούς δορυφόρους, μέχρι τη σωστή λειτουργία ενός μεγάλου αριθμού μηχανών, συσκευών και συστημάτων (π.χ. υδροηλεκτρικών έργων, συλλεκτήρων κυματικής ενέργειας κ.ά.) αποτελούν τα βασικά γνωστικά πεδία ενδιαφέροντος της επιστήμης της Γεωδαισίας και της ενασχόλησης πολλών κλάδων Μηχανικών με τις ποικίλες εφαρμογές της.

Μετρήσεις της βαρύτητας της Γης από δορυφόρους ή στην επιφάνεια της μπορούν να μας δώσουν χρήσιμες πληροφορίες για τη δομή του εσωτερικού της Γης, όπως φαίνεται ενδεικτικά στην Εικόνα 1 που δείχνει τις διακυμάνσεις της βαρύτητας στη γήινη επιφάνεια που προκαλούνται από τις αλλαγές της πυκνότητας στο εσωτερικό καθώς καυτό μαγματικό υλικό ανεβαίνει από τα έγκατα της Γης.

Ο κύριος λόγος αυτού του ενδιαφέροντος είναι ότι η Γη δεν είναι ομογενής στο εσωτερικό της και ομαλή στην επιφάνεια της και δεν έχει ακριβώς σφαιρικό σχήμα. Στην πραγματικότητα η τοπογραφία της γης είναι εξαιρετικά περίπλοκη, διότι περιλαμβάνει υψηλά και ογκώδη βουνά, κοιλάδες και περιοχές με στρώματα πάγου. Επίσης, η τοπογραφία του πυθμένα των ωκεανών μεταβάλλεται, αφού και εκεί συναντάμε οροσειρές και πεδιάδες που εναλλάσσονται, ενω οι υδάτινες μάζες των ωκεανών συνεχώς μετατοπίζονται εξ αιτίας της ωκεάνιας κυκλοφορίας, τις παλίρροιες και τις αλληλεπιδράσεις από την κίνηση της ατμόσφαιρας, τους ανέμους, κ.ά. Λαμβάνοντας υπόψη ότι η μεταβολή της γήινης βαρύτητας οφείλεται στη μεταβολή της μάζας, συμπεραίνουμε ότι η μεταβολή της μάζας εξαιτίας της διαφορετικής τοπογραφίας της γης και των διαφορετικών στοιχείων στην επιφάνειά της, έχει ως αποτέλεσμα μεταβολές της βαρύτητας χωρικά.

Επιπλέον, η μάζα της Γης μεταβάλλεται και χρονικά. Αυτό συμβαίνει, εξαιτίας των μετακινήσεων των τεκτονικών πλακών, της μεταφοράς των υδάτινων όγκων στους ωκεανούς, της μεταβολής της στάθμης της επιφάνειας της θάλασσας, του λιώσιμου των παγετώνων στις πολικές περιοχές, της μεταβολής των αποθεμάτων νερού στις μεγάλες λεκάνες απορροής και της ροής νερού διαμέσου των υδροφόρων συστημάτων και της ροής του μάγματος στο εσωτερικό της γης. Συνεπώς, για μία συγκεκριμένη περιοχή, η τιμή της γήινης βαρύτητας μεταβάλλεται διαχρονικά.

Οι μεταβολές του γήινου βαρυτικού πεδίου μπορεί να είναι μικρές, βλ. Εικόνα 3, ωστόσο είναι ιδιαίτερα σημαντικές γιατί μπορούν να σχετιστούν με τις ποικίλες φυσικές διεργασίες και φυσικά φαινόμενα που επηρεάζουν ολόκληρο τον πλανήτη μας.

Για την ανίχνευση των μικρών μεταβολών της γήινης βαρύτητας χωρικά και χρονικά, η NASA και ο Ευρωπαϊκός Οργανισμός Διαστήματος από το 2000 έχουν ξεκινήσει μια σειρά από ειδικές δορυφορικές αποστολές που αποσκοπούν στη συστηματική μελέτη του γήινου πεδίου βαρύτητας και των χωρο-χρονικών μεταβολών του.

Ο πρώτος σε αυτή τη σειρά ειδικών δορυφόρων, ο CHAMP(CHAllenging Mini-Satellite Payload) ξεκίνησε την αποστολή του στις 15 Ιουλίου 2000 με κύριους στόχους τη γεωφυσική έρευνα και τις εφαρμογές της. Η αποστολή είχε προγραμματιστεί να διαρκέσει πέντε έτη, προκειμένου να παράσχει ένα αρκετά μεγάλο χρονικό διάστημα συνεχών παρατηρήσεων για την επίλυση των μακροπρόθεσμων διακυμάνσεων κατά κύριο λόγο στο μαγνητικό πεδίο, στο πεδίο βαρύτητας και στην ατμόσφαιρα. Ο δορυφόρος καταστράφηκε όταν επανήλθε στη γήινη ατμόσφαιρα στις 20 Σεπτεβρίου 2010 έχοντας επιτελέσει πλήρως τους στόχους του και πέρα από τη προγραμματισμένη διάρκεια της λειτουργίας του.
Τα δεδομένα για την δημιουργία ενός ακριβούς μοντέλου των μεταβολών της βαρύτητας προϋποθέτουν μετρήσεις από πλήθος δορυφόρων σε κατάλληλες τροχιές σε διαφορετικά ύψη πάνω από τη Γη, ενώ δεν μπορούν να αντιμετωπίσουν αποτελεσματικά χαρακτηριστικά μικρότερης κλίμακας ή να περιγράψουν επακριβώς μικρότερες μηνιαίες μεταβολές της βαρύτητας που σχετίζονται με τον υδρολογικό κύκλο. Με τις μετρήσεις τους, οι δορυφόροι στις διάφορες αποστολές για τη μέτρηση του γήινου πεδίου βαρύτητας, ο καθένας με συγκεκριμένο τρόπο συνεχίζουν να συμβάλουν στην αποκάλυψη των χαρακτηριστικών του βαρυτικού πεδίου της Γης στην ξηρά και τη θάλασσα. Επιπλέον, συμβάλουν στην αναγνώριση και στη μελέτη χαρακτηριστικών μικρότερης κλίμακας με υψηλή ακρίβεια και βοηθώντας έτσι στον προσδιορισμό των μεταβολών του γήινου βαρυτικού πεδίου στο χρόνο.

Για αυτούς τους λόγους, τον δορυφόρο CHAMP διαδέχτηκε η αποστολή GRACE αποτελούμενη από ένα ζεύγος πανομοιότυπων δορυφόρων, οι οποίοι εκτοξεύθηκαν ταυτόχρονα το Μάρτιο του 2002 από το κοσμοδρόμιο Plesetsk της Ρωσίας χρησιμοποιώντας τον εκτοξευτήρα πολλαπλών δορυφόρων τύπου Rockot. Οι δύο δορυφόροι τέθηκαν στην ίδια τροχιά γύρω από τη Γη, σε υψόμετρο 460 km πάνω από την επιφάνειά της, ενώ ο ένας βρίσκόταν μπροστά από τον επόμενο σε απόσταση περίπου 220 km. Οι δύο δορυφόροι μπορούν να μετρούν την μεταξύ τους απόσταση με πολύ υψηλή ακρίβεια (της τάξης των 10 μm) και του ρυθμού μεταβολής της (με ακρίβεια καλύτερη από 1 μm/sec) χρησιμοποιώντας αποστασιόμετρα μικροκύματων στην μπάντα Κ του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Ο συντονισμός και η οργάνωση του επιστημονικού προγράμματος της αποστολής GRACE είναι αποτέλεσμα της στενής συνεργασίας μιας σειράς φορέων, όπως η NASA, το Κέντρο Διαστημικής Έρευνας του Πανεπιστημίου του Τέξας (University of Texas at Austin Center of Space Research), το Γεωεπιστημονικό Κέντρο στο Potsdam της Γερμανίας (GeoForschungsZentrum, GFZ) και ο Γερμανικός Οργανισμός Διαστήματος (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, DLR)

Για να ανιχνεύεται η επίδραση μη βαρυτικών δυνάμεων στους δύο δορυφόρους, αυτοί είναι εξοπλισμένοι με κάμερες φωτογράφησης αστέρων για τον ακριβή προσδιορισμό του προσανατολισμού των δορυφόρων σε σχέση με τη θέση των αστέρων, καθώς και προηγμένης τεχνολογίας επιταχυνσιόμετρα, ενώ η θέση και η ταχύτητα τους μετριέται με τη βοήθεια μετρήσεων από τους δορυφόρους GPS.

Με τον συνδυασμό όλων αυτών των δεδομένων, όπως εξηγείται στην αμέσως επόμενη ενότητα, οι δύο δορυφόροι μπορούν να προσδιορίζουν ο καθένας ανεξάρτητα τις τιμές του πεδίου βαρύτητας της Γης με εξαιρετική ακρίβεια. Ως παραπροϊόν, σε ημερήσια βάση οι μετρήσεις μερικών εκατοντάδων παγκόσμια διανεμημένων προφίλ της καθυστέρησης ή της γωνίας κάμψης των μετρήσεων GPS που προκαλούνται από την ιονόσφαιρα και την τροπόσφαιρα και μπορούν να μετατραπούν σε πυκνότητα ηλεκτρονίων (TEC) και/ή εκτιμήσεις της ατμοσφαιρικής διάθλασης των ραδιοσημάτων αντίστοιχα για την εξαγωγή σχετικών μοντέλων της τροπόσφαιρας και της ιονόσφαιρας.

Λειτουργική αρχή των μετρήσεων:

Μέσω των μετρήσεων των δορυφόρων GRACE, προκύπτουν λεπτομερείς χάρτες της βαρύτητας βάσει των μεταβολών της μάζας στην επιφάνεια της Γης από περιοχή σε περιοχή, που εντοπίζονται με τη διέλευση των δορυΦόρων πάνω από αυτές. Οι βαρυτικές ελκτικές δυνάμεις που δρουν σε κάθε δορυφόρο σχετίζονται με τις στοιχειώδεις γήινες μάζες, αλλά συνδέονται επίσης και με την πυκνότητα και την ποσότητα των υλικών του υπεδάφους που συναντώνται σε μία περιοχή. Έτσι, καθώς το ανάγλυφο της Γης και η σύσταση των εδαφικών υλικών της διαΦέρουν, δημιουργούνται μεταβολές στο βαρυτικό πεδίο της Γης, οι οποίες μπορούν να γίνουν αντιληπτές και να χαρτογραφηθούν με ακρίβεια μέσω των μετρήσεων από τους δορυφόρους του προγράμματος GRACE.

Κατά την πτήση τους οι δορυφόροι GRACE σε συνεχή οπτική επικοινωνία, γνωρίζοντας την ακριβή μεταξύ τους απόσταση και την ταχύτητά τους μέσω των μετρήσεων που εκτελούνται συνεχώς από τα αποστασιόμετρά τους. Τα παρακάτω βίντεοκλιπ εξηγούν συνοπτικά την αρχή λειτουργίας των μετρήσεων που εκετελούν οι δίδυμοι δορυφόροι. Η μεταβολή της μάζας λόγω της τοπογραΦίας κάθε περιοχής πάνω από την οποία διέρχονται οι δορυΦόροι, προξενεί μεταβολή της επιτρόχιας κίνησης κάθε δορυΦόρου, που με τη σειρά της οδηγεί σε επιμήκυνση ή σύντμηση της μεταξύ τους απόστασης. Αύξηση της τιμής της βαρύτητας σε μία περιοχή οδηγεί σε επιτάχυνση του προπορευόμενου δορυφόρου κατά την προσέγγισή του προς τη συγκεκριμένη περιοχή και συνεπώς αύξηση της απόστασής του από το δεύτερο δορυφόρο. Διέλευση πάνω από μία τέτοια περιοχή, οδηγεί στη συνέχεια σε επιβράδυνση του προπορευόμενου δορυΦόρου και επιτάχυνση αυτού που τον ακολουθεί, ενώ διέλευση του δορυφόρου που ακολουθεί πάνω από την περιοχή αυξημένης βαρύτητας οδηγεί σε μείωση της ταχύτητάς του, χωρίς να επηρεάζεται ο προπορευόμενος δορυφόρος.



Πέρα από τις μετρήσεις βαρύτητας, οι δορυφόροι της αποστολής GRACE παρέχουν καθημερινά εκατοντάδες μετρήσεις των επιδράσεων της ατμόσφαιρας στα σήματα των δορυφόρων GPS. Παρατηρώντας την πορεία των σημάτων αυτών, η οποία μεταβάλλεται λόγω του φαινομένου της διάθλασης καθώς διέρχονται από την ατμόσφαιρα, είναι δυνατή η δημιουργία μοντέλων ατμοσφαιρικών μοντέλων πίεσης, θερμοκρασίας και υγρασίας, συντελλώντας έτσι και στην πρόγνωση των καιρικών φαινομένων. Οι δέκτες GPS των δορυφόρων GRACE εντοπίζουν τα διαθλώμενα ραδιοσήματα των δορυφόρων GPS καθώς αυτοί ανέρχονται ή κατέρχονται στην ατμόσΦαιρα της Γης. Αυτός ο τύπος των μετρήσεων ονομάζεται επιπρόσθηση GPS ή αλλιώς απόκρυψη GPS (GPS occultation), ένας όρος δανεισμένος από την Αστρονομία που δηλώνει το πέρασμα ενός ουράνιου σώματος μπροστά από ένα άλλο, π.χ. όταν ο δίσκος της Σελήνης κρύβει ολόκληρο τον ηλιακό δίσκο κατά τη διάρκεια μιας ολικής έκλειψης του Ήλιου. Μετρήσεις επιπρόσθησης των δορυφόρων GPS πραγματοποιούνται από τους δίδυμους δορυφόρους GRACE καθόλη τη διάρκεια της αποστολής, βοηθώντας στην πρόβλεψη των παγκόσμιων καιρικών συνθηκών.

Περισσότερες πληροφορίες για τις δορυφορικές αποστολές μελέτης του πεδίου βαρύτητας:

• Practical Applications of GRACE and Future Satellite Gravity Missions
• Roadmap Towards Future Satellite Gravity Missions in Support of Monitoring of Mass Redistribution, Global Change, and Natural Hazards
• Satellite Altimeters Measure Tsunami
• The Japan tsunami observed by altimeters
• Jason-2: Using Satellite Altimetry to Monitor the Ocean
• Space geodetic techniques for coastal zone monitoring

Μια από τις τυπικές επιστημονικές εφαρμογές του προγράμματος GRACE αφορά τη βελτιωμένη γνώση του γεωειδούς, που χρησιμοποιείται ως επιφάνεια αναφοράς των υψομέτρων, και που οδηγεί, σε συνδυασμό με μετρήσεις δορυφορικής αλτιμετρίας και επίγεια δεδομένα, σε σημαντική πρόοδο των ωκεανογραφικών, γεωφυσικών και γεωδαιτικών επιστημών εφαρμογών όπως

• Εντοπισμός της κίνησης υδάτινων μαζών πάνω και κάτω από την επιφάνεια της Γης
• Εντοπισμός μεταβολών στη ροή της ωκεάνιας θερμότητας
• Μακροπρόθεσμη μεταβολή της στάθμης της θάλασσας
• Μεταβολές ωκεάνιων ρευμάτων κοντά στην επιφάνεια αλλά και αυτών σε μεγαλύτερα βάθη
• Μεταβολές της μεταβολής των ποσοτήτων νερού και χιονιού στις ηπείρους
• Μεταβολές της εδαφικής υγρασίας
• Εντοπισμός μεταβολών στη λιθόσφαιρα
• Ισοστατική απόκριση της λιθόσφαιρας

Συγκεκριμένα, τα δεδομένα από τις μετρήσεις των δορυφόρων GRACE, βοηθούν σημαντικά σε γεωλογικές και κλιματικές μελέτες, ενώ οι βελτιωμένες μετρήσεις του βαρυτικού πεδίου που παρέχονται μπορούν να οδηγήσουν σε ανακαλύψεις για τη βαρύτητα και τους φυσικούς μηχανισμούς της Γης που έχουν αντίκτυπο στην κατανόηση των διεργασιών που προκαλούν τα φαινόμενα της κλιματικής αλλαγής. Με τα δεδομένα της αποστολής αυτής είναι δυνατή η παρατήρηση των διάφορων τρόπων μετακίνησης της μάζας στον πλανήτη, της ποσότητας η οποία κινείται αλλά και πώς αυτή αναδιανέμεται με την πάροδο του χρόνου, βοηθώντας στην εξαγωγή συμπερασμάτων για πλήθος φυσικών φαινομένων όπως της αραίωσης των στρωμάτων του πάγου, της κίνησης του νερού μέσω του υδροφόρου ορίζοντα ακόμα και της κίνησης των ρευμάτων μάγματος στο εσωτερικό της Γης.

Ο εντοπισμός της κίνησης υδάτινων μαζών πάνω και κάτω από την επιφάνεια της Γης αποτελεί από τους πιο ενδιαφέροντες αλλά λιγότερο προσεκτικά μετρημένους παράγοντες μεταβολής του γήινου βαρυτικού πεδίου. Ο συνδυασμός δεδομένων GRACE με δεδομένα βαρύτητας από άλλους δορυφόρους, καθώς και επίγειες και άλλες μετρήσεις επιτρέπει τη μελέτη της κίνησης των υδάτινων μαζών με υψηλό επίπεδο λεπτομέρειας. Η κίνηση του νερού γίνεται μέσω του υδρολογικού κύκλου σε ρυθμό σχετικό με τις άλλες διαδικασίες μέσω των οποίων αναδιανέμεται η μάζα στην επιφάνεια της Γης. Οι βαρυτικές μεταβολές που παρατηρούνται από τις μετρήσεις των δορυφόρων GRACE αποδίδονται στην εποχική και την ετήσια κίνηση του νερού κατά τον υδρολογικό κύκλο και συνδυαζόμενες με επίγειες μετρήσεις συντελούν στη βελτίωση των μοντέλων που αποδίδουν τις ανταλλαγές νερού μεταξύ των ωκεανών και των χερσαίων επιφανειών μέσω διαδικασιών όπως η βροχοπτώσεις, η υπόγεια υγρασία και η απορροή. Η διαδικασία αυτή μπορεί να πραγματοποιηθεί σε διάφορα επίπεδα, από αυτό μιας ηπείρου έως και σε περιφερειακή κλίμακα μερικών εκατοντάδων χιλιομέτρων.

Τα δεδομένα GRACE βοηθούν στην κατανόηση των μεταβολών της μάζας των πάγων και των συνεπαγόμενών από αυτές μεταβολών στην επιφάνεια της θάλασσας. Συνδυαζόμενα δε, με υψομετρικές μεταβολές από επίγειες, δορυφορικές ή άλλες μετρήσεις, επιτρέπουν βελτιωμένους υπολογισμούς της ισορροπίας της μάζας των πάγων, ενώ παρέχεται η δυνατότητα να ξεχωριστούν ευκολότερα οι μεταβολές της μέσης στάθμης του ωκεανού εξαιτίας της θερμικής διαστολής των υδάτινων μαζών, από αυτές που οφείλονται στην πραγματική αναδιανομή το νερού. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί η κατανόηση της επίδρασης σε παγκόσμιο επίπεδο του φαινομένου της ανόδου της στάθμης της θάλασσας εξ αιτίας του λίώσιμου των παγετώνων, δηλαδή της ανόδου περιοχών του φλοιού της Γης οι οποίες ήταν καλυμμένες με πάγο κατά την περίοδο των παγετώνων. Η άνοδος αυτή του φλοιού, επηρεάζει το επίπεδο της θάλασσας κατά μήκος της ακτογραμμής με διαφορετικό τρόπο από περιοχή σε περιοχή, δυσχεραίνοντας έτσι την απόδοση του ποσοστού της παρατηρούμενης μεταβολής στη στάθμη της θάλασσας που προκαλείται από τη θερμική διαστολή των ωκεανών εξαιτίας της υπερθέρμανσης του πλανήτη.

Η τοπογραφία των ωκεανών διακρίνεται στη στατική συνιστώσα, που προκαλείται από μεταβολές της βαρύτητας λόγω των διαφορετικών τιμών της πυκνότητας στις διάφορες περιοχές και στη δυναμική συνιστώσα που σχετίζεται με στοιχεία που μεταβάλουν τη μορφολογία του ωκεανού όπως τα θαλάσσια ρεύματα, την κίνηση των θαλάσσιων υδάτινων όγκων που προκαλείται από επιφανειακούς ανέμους και την περιστροφή της Γης. Το τμήμα αυτό επηρεάζει σε ποσοστό περίπου 1% της συνολικής μεταβολής της ωκεάνιας τοπογραφίας, παρέχει όμως σημαντικές πληροφορίες για την ταχύτητα και την κίνηση των ρευμάτων. Καθώς οι μετρήσεις δυναμικής τοπογραφίας απαιτούν την ακριβή γνώση του υψομέτρου της επιφάνειας της θάλασσας και ενός μοντέλου του γεωειδούς, οι μετρήσεις του GRACE μπορούν να παρέχουν ακριβείς, υψηλής ανάλυσης μετρήσεις του θαλάσσιου γεωειδούς, βοηθώντας στην κατανόηση του ρόλου των ωκεάνιων κυμάτων στη ρύθμιση του παγκόσμιου κλίματος. Η ακρίβεια των μετρήσεων που μας παρέχουν οι μετρήσεις GRACE, δίνει τη δυνατότητα εντοπισμού και μελέτης των βαθειών ωκεάνιων ρευμάτων, που μεταφέρουν θερμότητα από τον Ισημερινό στις πολικές περιοχές.

Επιπλέον, οι μετρήσεις GRACE συμβάλουν στην κατανόηση της εσωτερικής δομής της Γης, απαντώντας σε ερωτήματα που αφορούν το πάχος, τη σύνθεση και τα μηχανικά χαρακτηριστικά της. Μεταβολές στην πυκνότητα της λιθόσφαιρας εντοπίζονται μέσω των μετρήσεων βαρύτητας από τους δορυφόρους GRACE, επιτρέποντας έτσι αντίστροφα τη μελέτη των επιδράσεων τους στο γήινο βαρυτικό πεδίο.

Σημαντικός παράγοντας για την επιτυχία των εφαρμογών που καθιστούν εφικτές οι μετρήσεις βαρύτητας από τους δορυφόρους GRACE αποτελεί η ευρεία και ελεύθερη πρόσβαση των χρηστών σε μια σειρά δεδομένων και επεξεργασμένων προϊόντων των μετρήσεων, μέσω διαφόρων ιστοχώρων στο Διαδίκτυο που έχουν δημιουργήσει οι διάφοροι επιστημονικοί φορείς που έχουν την ευθύνη του προγράμματος GRACE.

Ήδη τα δεδομένα της αποστολής GRACE οδήγησαν σε σημαντικές εφαρμογές που προέκυψαν από το συνδυασμό τους με αντίστοιχα δεδομένα από την προηγούμενή της αποστολή CΗΑΜΡ, κυρίως βελτιώνοντας σημαντικά την παρεχόμενη ακρίβεια των μετρήσεων βαρύτητας εξαιτίας της εφαρμοζόμενης διαφορετικής τεχνολογίας στην οποία στηρίζονται οι δίδυμοι δορυφόροι της. Με τον ίδιο τρόπο, νέες εφαρμογές από τη χρήση των βαρυτικών δεδομένων από τους δορυφόρους της αποστολής GRACE αναμφίβολα θα προκύψουν όταν τα δεδομένα αυτά θα συμπληρωθούν με αυτά από τις μετρήσεις του νέου προγράμματος της Ευρωπαϊκής Οργάνωσης Διαστήματος (ESA) το δορυφόρο GOCE, η εκτόξευση του οποίου πραγματοποιήθηκε στις 17 Μαρτίου του 2009 ύστερα από αρκετές καθυστερήσεις.

Τα αποτελέσματα των μετρήσεων, σε μεταγενέστερο παρόμοιο πρόγραμμα δίδυμων δορυφόρων, αναμένονται να είναι ακόμα ακριβέστερα με τη μελλοντική ανάπτυξη νέων τεχνολογικών μέσων, όπως την αντικατάσταση του συστήματος εντοπισμού με μικροκύματα που χρησιμοποιείται από το τρέχον πρόγραμμα GRACE, με ένα σύστημα laser, αυξάνοντας έτσι την ακρίβεια προσδιορισμού της απόστασης και επομένως αυτή των συνεπαγόμενων μετρήσεων του βαρυτικού πεδίου. Είναι ενδεικτικό ότι μια παρόμοια αποστολή δίδυμων δορυφόρων, η αποστολή GRAIL (Gravity Recovery and Interior Laboratory) βρίσκεται ήδη σε εξέλιξη γύρω από τη Σελήνη, με αντίστοιχο στόχο να επιτρέψει τη χαρτογράφηση των παραλλαγών της σεληνιακής βαρύτητας προκειμένου οι πληροφορίες αυτές για να αυξήσουν τις γνώσεις μας για τη σύσταση του εσωτερικού της Σελήνης και, έμμεσα, τη θερμική ιστορία του δορυφόρου της Γης.

Με τα έως τώρα δεδομένα του προγράμματος, σημαντική δυνατότητα εξέλιξης και νέων εφαρμογών χρησιμοποιώντας τα δεδομένα των δορυφόρων GRACE παρουσιάζει κυρίως ο τομέας εφαρμογών της Υδρολογίας. Μερικά από τα κυριότερα συναφή πεδία έρευνας να είναι εξής:

• Υδρολογικά και υδραυλικά μοντέλα για την παρακολούθηση των αποθεμάτων νερού σε μεγάλες λεκάνες απορροής και δέλτα ποταμών, όπως στη λεκάνη του Αμαζονίου
• Μέθοδοι υπολογισμού του όγκου των επιφανειακών και υπόγειων νερών
• Μεταβολές του επιπέδου της θάλασσας και συνέπειες στην υδρολογία των ηπείρων
• Μελέτη του ισοζυγίου της μάζας του πάγου και της συσσώρευσης χιονιού στην Ανταρκτική και τη Γροιλανδία

Οι εν λόγω δυνατότητες παρέχονται μέσω της ποικιλίας των διαθέσιμων προϊόντων από τις μετρήσεις των δορυφόρων GRACE, τα οποία είναι άμεσα προσβάσιμα στο Διαδίκτυο. Συγκεκριμένα, τα δεδομένα GRACE διατίθενται σε τρία επίπεδα επεξεργασμένων μετρήσεων. Τα πρωτογενή δεδομένα που συλλέγονται από τους δορυφόρους, μετά από σχετικές διαδικασίες βαθμονόμησης τους και χρονικής ταξινόμησης τους, είναι γνωστά ως προϊόντα επιπέδου 1Α (Level 1A) άλλα δεν είναι άμεσα διαθέσιμα στο ευρύ κοινό, αλλά μόνο για ερευνητικούς σκοπούς. Αυτά, αφού υποστούν την απαραίτητη επεξεργασία και διορθώσεις για τροχιακά σφάλματα, επιδράσεις μη βαρυτικών επιταχύνσεων κ.ά. αποτελούν τα λεγόμενα προϊόντα επιπέδου 1Β (Level 1Β). Περαιτέρω, τα προϊόντα αυτά υφίστανται επιπλέον επεξεργασία για την παραγωγή μηνιαίων εκτιμήσεων του βαρυτικού πεδίου σε μορφή παραμέτρων σφαιρικών αρμονικών συναρτήσεων. Από το συνδυασμό των δεδομένων κάθε μερικούς μήνες, προκύπτουν εκτιμήσεις του βαρυτικού πεδίου, που αποτελούν τα λεγόμενα προϊόντα επιπέδου 2. Πέραν των προϊόντων επιπέδου 1 και 2, ορισμένοι χρήστες των δεδομένων του προγράμματος GRACE έχουν συνδυάσει προηγούμενα διαθέσιμα προϊόντα με νέα δεδομένα δημιουργώντας και διαθέτωντας τα λεγόμενα προϊόντα επιπέδου 3.

Ενδεικτικά τέτοια δεδομένα είναι διαθέσιμα στους ακόλουθους ιστοτόπους:

• GRACE Tellus - Mε τη συνεργασία της NASA και του Γερμανικού Οργανισμού Διαστήματος DLR παρέχονται χρονοσειρές των ανωμαλιών μάζας της γήινης επιφάνειας σε μορφή χαρτών, αφού υποστούν την κατάλληλη επεξεργασία διορθώσεων και εξομάλυνσης. Επιπλέον, διατίθενται προϊόντα από συνδυασμό των αποστολών GRACE και των δορυφόρων αλτιμετρίας των θαλασσών του TOPEX και JASON-1.
• University of Colorado at Boulder - Διαδραστικά εργαλεία υπολογισμού της διόρθωσης του σφάλματος της ανωμαλίας μάζας σε χρονοσειρές τοπικής και παγκόσμιας κλίμακας
• ICGEM (International Centre for Gravity Earth Models) - Περιλαμβάνει ένα μεγάλο αριθμό σημερινών αλλά και παλαιότερων μοντέλων του γήινου δυναμικού του πεδίου βαρύτητας, μαζί με εκπαιδευτικό υλικό και online εργαλείων για γεωδαιτικούς υπολογισμούς και άλλους συνδέσμους για σχετικές με το βαρυτικό πεδίο υπηρεσίες
• JPL(Jet Propulsion Laboratory) της NASA - Μηνιαία μοντέλα του γήινου βαρυτικού πεδίου
• GFZ (GeoForschungsZentrum) του Γεωδαιτικού Ινστιτούτου στο Potsdam, Γερμανίας και JPL - Δεδομένα ατμοσφαιρικής-ιονοσφαιρικής επιπρόσθησης

Σφαιρικοί αρμονικοί συντελεστές αντίστοιχων μοντέλων του γήινου δυναμικού του πεδίου βαρύτητας από τα δεδομένα των δορυφόρων GRACE είναι διαθέσιμα στους ακόλουθους ιστοχώρους:

• EIGEN-6C: Από το συνδυασμό βαρυτικών δεδομένων GRACE και GOCE, δεδομένων LAGEOS, δορυφορικής αλτιμετρίας και επίγειων δεδομένων βαρύτητας. Υβριδικό μοντέλο του γήινου δυναμικού με αρμονικούς συντελεστές μέχρι βαθμό και τάξη 1420 (Απρίλιος 2011)
• EIGEN-6S: Από το συνδυασμό μόνο δορυφορικών βαρυτικών δεδομένων GRACE και GOCE, και δεδομένων LAGEOS. Υβριδικό μοντέλο του γήινου δυναμικού με αρμονικούς συντελεστές μέχρι βαθμό και τάξη 240 (Απρίλιος 2011)
• EIGEN-5C: Από το συνδυασμό δεδομένων GRACE, της αποστολής LAGEOS και επίγειων δεδομένων βαρύτητας. Πλήρες μοντέλο του γήινου δυναμικού μέχρι βαθμό και τάξη 360 (Σεπτέμβριος 2008)
• EIGEN-GL04S1: Από το συνδυασμό δεδομένων των δορυφορικών αποστολών GRACE και LAGEOS, πλήρες μοντέλο του γήινου δυναμικού μέχρι βαθμό και τάξη 150 (Μάιος 2006)
• EIGEN-GL04C: Από το συνδυασμό GRACE, της αποστολής LAGEOS και επίγειων δεδομένων βαρύτητας. Πλήρες μοντέλο του γήινου δυναμικού μέχρι βαθμό και τάξη 360 (Μάρτιος 2006)
• EIGEN-CG03C: Από το συνδυασμό δεδομένων των δορυφορικών αποστολών GRACE και CHAMP και επίγειων δεδομένων βαρύτητας. Πλήρες μοντέλο του γήινου δυναμικού μέχρι βαθμό και τάξη 360 (Μάιος 2005)
• EIGEN-CG01C: Από το συνδυασμό δεδομένων των αποστολών GRACE, CΗΑΜΡ και επίγειων δεδομένων βαρύτητας. Πλήρες μοντέλο του γήινου δυναμικού μέχρι βαθμό και τάξη 360 (Οκτώβριος 2004)
• EIGEN-GRACE02S: Βαρυτικό μοντέλο αποκλειστικά από δεδομένα GRACE. Πλήρες μοντέλο του γήινου δυναμικού μέχρι βαθμό και τάξη 150 (Αύγουστος 2004)
• EIGEN-GRACE01S: Το πρώτο βαρυτικό μοντέλο αποκλειστικά από δεδομένα GRACE. Πλήρες μοντέλο του γήινου δυναμικού μέχρι βαθμό και τάξη 140 (Ιούλιος 2003)

Εικόνα 9 - Το γεωειδές στην περιοχή του ελλαδικού χώρου από τα μοντέλα σφαιρικών αρμονικών EIGEN-GRACE01S (αριστερά), και EIGEN-6C (δεξιά).

Τυπικά, τα ποικίλα προϊόντα που αφορούν τις διαχρονικές μεταβολές του γήινου πεδίου βαρύτητας είναι διαθέσιμα σε μορφή ΑSCII (ένα αρχείο ανα μήνα), σε μορφή NetCDF (ένα αρχείο για όλη την περίοδο του χρόνου), και ως GIF εικόνες και κινούμενα σχέδια. Όπως έχει ήδη αναφερθεί, οι διαφορές αυτές της βαρύτητας δημιουργούνται απο φαινόμενα μεταβολής της μάζας της Γης πράγμα που οφείλεται κυρίως στην μετακίνηση και το λιώσιμο των πάγων καθώς επίσης και σεισμούς, που συνεπάγονται ανάλογες αυξομειώσεις στους ταμιευτήρες των υπόγειων αποθεμάτων νερού της Γης, τις ποσότητες των πάγων στις αρκτικές περιοχές αλλά και των υδάτινων όγκων των ωκεανών.

Συνεπώς μέσα απο τα δεδομένα της αποστολής GRACE μπορούμε να πάρουμε πληροφορίες για το πάχος του νερού, την υγρασία του εδάφους καθώς επίσης και της πίεσης του βυθού του ωκεανού και της δυναμικής τοπογραφίας του. Για παράδειγμα, στις κινούμενες Εικόνες 7 απεικονίζονται οι μηνιαίες αλλαγές που παρατηρήθηκαν στην βαρύτητα προκαλούμενες από μεταβολή των υδάτινων μαζών. Στην προκειμένη περίπτωση, η αλλαγή μάζας μπορεί να θεωρηθεί ως ένα πολύ λεπτό στρώμα νερού συγκεντρωμένο στην γήινη επιφάνεια, το πάχος του οποίου αλλάζει συνεχώς. Στην πραγματικότητα, πολλές από τις μηνιαίες μεταβολές της βαρύτητας οφείλονται σε αλλαγές στην αποθήκευση νερού σε μεγάλες υδρολογικές δεξαμενές όπως είναι οι μεγάλες λεκάνες απορροής και τα δέλτα των ποταμών, λόγω της μετακίνησης των ωκεανών, των ατμοσφαιρικών και κρυοσφαιρικών μαζών, αλλά και των υδάτινων ανταλλαγών κατά τη διάρκεια του υδρολογικού κύκλου. Το εύρος των μεταβολών τους μετριέται σε εκατοστά, και οι τιμές τους προκύπτουν αφού η μάζα της ατμόσφαιρας αφαιρείται προηγουμένως, ώστε αυτά οι υπολογισμένοι υδάτινοι όγκοι να μην αντικατοπτρίζουν τις επιδράσεις από την ατμοσφαιρική μεταβλητότητα. Κατα τον ίδιο τρόπο, χρησιμοποιείται ένα μοντέλο των υδάτινων μαζών ωκεανού για την αφαίρεση των κύριων (πρωτίστως υψηλής συχνότητας) επιδράσεων της αιολικής πίεσης και της κίνησης των ωκεανών. Για να χρησιμοποιηθούν αυτά τα αποτελέσματα των ωκεανών, τα δεδομένα της αποστολής GRACE παρέχουν τον μηνιαίο μέσο όρο των υδάτινων όγκων των μεγάλων ωκεανών. Αυτός είναι ο λόγος που διαχωρίζονται οι εκτιμήσεις των υδάτινων πόρων για στους ωκεανούς και τις ηπειρωτικές περιοχές.

Ένα σημαντικό μέρος των διαχρονικών αλλαγών του γήινου πεδίου βαρύτητας οφείλεται στην αντοπόκριση της Γης στο λεγόμενο φαινόμενο της αναπήδησης της γήινης επιφάνειας που εξακολουθεί να υφίσταται εξ αιτίας του λίωσιμου των παγετώνων. Το φαινόμενο είναι γνωστό ως μεταπαγετώδης άνοδος (post-glacial rebound) και περιγράφει την ανύψωση του εδάφους, κατά μερικά χιλιοστά το χρόνο, σε περιοχές που κάποτε ήταν καλυμμένες με πάγο κατά την εποχή των παγετώνων. Συγκεκριμένα, μια εποχή παγετώνων αποκαλείται η περίοδος κατά την οποία πραγματοποιήθηκε μία μακροπρόθεσμη μείωση της θερμοκρασίας του κλίματος της Γης, με αποτέλεσμα την επέκταση της ηπειρωτικής γης, των πολικών πάγων και των παγόβουνων. Οι εποχές αυτές σχετίζονται στενά με τους λεγόμενους κύκλους Milankovitch, οι οποίοι περιγράφουν τις επιδράσεις των μεταβολών στις κινήσεις της Γης στο κλίμα του πλανήτη. Κατά τη θεωρία του Γιουγκοσλάβου μαθηματικού Milutin Milanković, αυτές οφείλονται στις αλλαγές στην εκκεντρότητα της γήινης τροχίας γύρω από τον Ήλιο (από 0.005 έως 0.058), στην μετάπτωση του γήινου άξονα περιστροφής (από 22.1^ο μέχρι 24.5^ο) και στη κλίση της Γης σε σχέση με το επίπεδο της εκλειπτικής. Το πιο πρόσφατο παγκόσμιο γεγονός λιώσιμου των πάγων, το οποίο σήμανε το τέλος των τελευταίων 100 κύκλων εποχών παγετώνων έγινε στα τέλη της τεταρτοταγούς περιόδου που άρχισε μόλις 21.000 χρόνια πριν, λίγο πριν από τον κύκλο Milankovitch, και αποδεικνύεται από το γεγονός ότι ουσιαστικά ολοκληρώθηκε 6000 χρόνια πριν. Παρόλα αυτά όμως το επίπεδο της θάλασσας συνέχισε να αλλάζει, ουσιαστικά παντού στην επιφάνεια της Γης.

Αυτή η συνεχής διακύμανση της στάθμης της θάλασσας έχει ως συνέπεια την καθυστέρηση της ανταπόκρισης της Γης για την ανακατανομή της μάζας της στην επιφάνεια των περιοχών που ξεπαγώνουν. Σε περιοχές που ήταν παγωμένες στο παρελθόν, όπως ο Καναδάς και η Βορειοδυτική Ευρώπη, το επίπεδο της θάλασσας συνεχίζει να μειώνεται με ρυθμό που καθορίζεται κυρίως από τη συνεχιζόμενη μετά παγετώνων εποχή της αναπλασης του φλοιού, το οποίο μπορεί να υπερβαίνει το 1 cm/έτος (π.χ. στη νοτιοανατολική περιοχή του Καναδά, στον κόλπο Hudson, το ποσοστό αυτό είναι σχεδόν 1.1 cm/έτος). Ακόμη και σε περιοχές που έχουν απομακρυνθεί πολύ από τα κέντρα των παγετώνων, τα ποσοστά μεταβολής της στάθμης της θάλασσας που υπάρχουν ως αποτέλεσμα της εν εξελίξει ισοστατικής προσαρμογής δεν είναι καθόλου αμελητέα, καθώς η ανακατανομή των λιθοσφαιρικών μαζών, "ανακάμπτοντας" από τη φόρτωση των παγετώνων της τελευταίας εποχής τους, παράγει μακροχρόνιες τάσεις στο πεδίο βαρύτητας της Γης.

Είναι προφανές ότι η τεκμηρίωση αυτών των γεωφυσικών φαινομένων ελκύουν μεγάλο επιστημονικό ενδιαφέρον. Στην περίπτωση της αξιοποίησης των μετρήσεων από τους δορυφόρους GRACE, π.χ. στη μελέτη μιας λεκάνης απορροής υδρολογικά, είναι είναι απαραίτητη η αφαίρεση της εκτίμησης της τάσης "ανάκαμψης" της γήινης επιφάνειας από τη φόρτωση των παγετώνων της τελευταίας εποχής τους στην περιοχή ενδιαφέροντος, προκειμένου να γίνει εμφανής η τάση μείωσης της περιεκτικότητας της λεκάνης σε νερό που μετράται απο το GRACE, όπως έγινε για παράδειγμα στην περίπτωση πρόσφατων εκτιμήσεων για τις απώλειες πάγων στην Γροιλανδία εξ αιτίας των κλιματικών αλλαγών.

Χαρακτηριστικό παράδειγμα των συγκεκριμένων δυνατοτήτων που παρέχουν τα δεδομένα των δορυφόρων GRACE αποτελεί η πρόσφατη χαρτογράφηση των υπόγειων αποθεμάτων νερού στο υπέδαφος της Ινδίας και η τεκμηριωμένη εξήγηση της παρατηρούμενης τα τελευταία χρόνια εξαφάνισης των υπόγειων υδάτων σε πολλές από τις αρδευόμενες περιοχές του Rajasthan, Punjab και Haryana στα βόρεια της Ινδίας. Στις συγκεκριμένες περιοχές καλλιέργειας του σίτου, του ρυζιού, και του κριθαριού και κάτω από τις πυκνοκατοικημένες πόλεις της Jaiphur και Νέο Δελχί, τα τελευταία χρόνια παρατηρείται ότι έχουν εξαφανιστεί τα υπόγεια ύδατα που κανονικά θα έπρεπε να συσσωρεύονται στα υδροφόρα στρώματα από τη φυσική διήθηση των βροχοπτώσεων και άλλων επιφανειακών υδάτων κάτω μέσω του εδάφους και των πετρωμάτων της Γης. Αυτό συμβαίνει εξ αιτίας των τεράστιων ετήσιων αναλήψεων και την υπερκατανάλωση νερού που προκαλούνται από τις ανθρώπινες δραστηριότητες - κυρίως για την άρδευση των καλλιεργήσιμων εκτάσεων - ταχύτερα από ότι τα υδροφόρα στρώματα μπορούν να τροφοδοτούνται από φυσικές διαδικασίες.

Χρησιμοποιώντας τις δορυφορικές παρατηρήσεις από τους δορυφόρους GRACE διαπιστώθηκε ότι τα επίπεδα των υπόγειων υδάτων έχουν μειωθεί κατά μέσο όρο κατά ένα μέτρο κάθε τρία χρόνια, με περισσότερα από 109 κυβικά χιλιόμετρα των υπόγειων υδάτων να έχουν εξαφανιστεί μεταξύ 2002 και 2008 - διπλάσια χωρητικότητα από εκείνη του μεγαλύτερου ταμιευτήρα επιφανειακών υδάτων της Ινδίας, στην περιοχή Άνω Wainganga, και τριπλάσια από αυτή της λίμνης Mead, το μεγαλύτερο τεχνητό ταμιευτήρα στις Ηνωμένες Πολιτείες.

Σε μια ανάλογη εφαρμογή με βάση και την έρευνα για τους άλλους παγκόσμιους υδροφορείς, παρακολουθώντας τις πολύ μικρές από μήνα σε μήνα αλλαγές στο πεδίο βαρύτητας της Γης από νέες δορυφορικές παρατηρήσεις από τους δορυφόρους GRACE, αμερικανοί επιστήμονες αποκάλυψαν ότι από τον Οκτώβριο 2003, οι υδροφόροι ορίζοντες για την κύρια γεωργική περιοχή της Καλιφόρνιας (Κεντρική Κοιλάδα) και η κύρια πηγή νερού στις ορεινές περιοχές της Siera Nevada που μαζί με την λίμνη Mead, αποτελούν τις μεγαλύτερες δεξαμενές της Αμερικής, έχουν χάσει τεράστιες ποσότητες νερού. Τα ευρήματα αυτά αντανακλούν την παράταση της ξηρασίας της Καλιφόρνιας και τη ραγδαία αύξηση των ποσοστών των υπόγειων υδάτων που αντλούνται για ανθρώπινη χρήση, όπως η άρδευση. Συγκεκριμένα, σε συνδυασμό οι λεκάνες απορροής στις περιοχές του Sacramento and San Joaquin της Καλιφόρνιας έχουν απωλέσει περισσότερα από 30 κυβικά χιλιόμετρα νερού από τα τέλη του 2003. Είναι ενδεικτικό ότι ένα κυβικό χιλιόμετρο είναι αρκετό για να καλύψει 400.000 πισίνες ολυμπιακών διαστάσεων. Τέτοια δεδομένα αναδεικνύουν τον κίνδυνο πως εάν συνεχιστούν οι σημερινές τάσεις υπάρχει περίπτωση να μην μπορούν καλυφθούν οι ανάγκες άρδευσης ή ακόμα και να οδηγήσουν σε ακραίες συνθήκες λειψυδρίας, μείωση του υδροφόρου ορίζοντα, μείωση των μεγεθών των καλλιεργειών και τη συνεχιζόμενη καθίζηση του εδάφους. Τα ευρήματα έχουν σημαντικές επιπτώσεις για την οικονομία των ΗΠΑ, και συνεπώς με την παροχή δεδομένων από τους δορυφόρους GRACE σε μεγάλη κλίμακα για τα ποσοστά εξάντλησης των υπόγειων υδάτων, προσφέρεται τεράστια βοήθεια τους διαχειριστές των υδάτινων πόρων ώστε να λαμβάνουν τεκμηριομένες αποφάσεις σχετικά με την κατανομή τους.

Μια άλλη σημαντική συνεισφορά των μετρήσεων βαρύτητας από τους δορυφόρους της αποστολής GRACE αφορά τον ακριβή υπολογισμό της μέσης δυναμικής τοπογραφίας του ωκεανού (Dynamic Ocean Topography, DOT), βλ. Εικόνα 12. Αυτή υπολογίζεται ως η διαφορά ως προς το χρόνο μεταξύ - κατά μέσο όρο - της επιφάνειας της θάλασσας και του γεωειδούς (δηλαδή εκείνη την ισοδυναμική επιφάνεια του βαρυτικού πεδίου της Γης που ταιριάζει καλύτερα στη μέση στάθμη της θάλασσας). Η συγκεκριμένη ποσότητα DOT μετρά τις μακροπρόθεσμες κατά μέσο όρο δυνάμεις των ωκεάνιων ρευμάτων. Ένα παράδειγμα αποτελεί το ρεύμα του Κόλπου (Gulf Stream), το οποίο κατα μέσο όρο για κάθε έτος είναι περίπου το ίδιο, χωρίς αισθητή μεταβολή από το 1786, όταν ο Benjamin Franklin και ο Timothy Folger το είχαν χαρτογραφήσει για πρώτη φορά. Η δυναμική τοπογραφία του ωκεανού DOT μπορεί να κατασκευαστεί από γεωδαιτικά δεδομένα: μία αλτιμετρική μέση επιφάνεια της θάλασσας (όπως υπολογίζεται από μακροχρόνιες μετρήσεις των αλτιμετρικών δορυφόρων) ή ακόμα ένα μοντέλο του γεωειδούς υψηλής ακριβείας και διακριτικής ικανότητας ή/και απο το συνδυασμό γεωδαιτικών εκτιμήσεων (αλτιμετρίας και γεωειδούς) και κλασικών ωκεανικών μετρήσεων.

Από το 2002, οι αποστολές των δορυφόρων CHAMP και GRACE έχουν βοηθήσει να παρατηρηθούν οι παροδικές μεταβολές του πεδίου βαρύτητας της Γης με χωρική διακριτική ικανότητα ~200 km σε περιόδους 10-30 ημερών.

Οι παραδοσιακές τεχνικές μέτρησης της βαρύτητας ήταν βασισμένες αποκλειστικά σχεδόν σε σχετικές και απόλυτες διαδικασίες στις ηπειρωτικές και τις θαλάσσιες περιοχές καθώς και από τον αέρα, σε παρατηρήσεις των βαρυτικών διαταραχών στις τροχιές των δορυφόρων, καθώς και σε μετρήσεις της στιγμιαίας στάθμης της επιφάνειας της θάλασσας και στο συνδυασμό δεδομένων τοπογραφίας/βαθυμετρίας και μοντέλα πυκνοτήτων για την ανώτερη λιθόσφαιρα της Γης. Σήμερα, η ευρεία διάθεση των δεδομένων από τους δορυφόρους CHAMP και GRACE και των προηγμένων προϊόντων που προκύπτουν από τις μετρήσεις τους άρχισαν να αλλάζουν σταδιακά τις συμβατικές πρακτικές χαρτογράφησης του γήινου πεδίου βαρύτητας, ανοίγοντας ταυτόχρονα το δρόμο προς την εκπλήρωση των σύγχρονων γεωεπιστημονικών εφαρμογών της της γεωδαισίας, της ωκεανογραφίας, της γεωφυσικής, της γεωλογίας που απαιτούν τον προσδιορισμό του πεδίου βαρύτητας της Γης και του γεωειδούς με ακρίβειες της τάξης του ±1 cm για μήκη κύματος ~10 km. Κάτι τέτοιο συνεπάγεται ομοιογένεια στην ακρίβεια και γενικότερα αυξημένα ποιοτικά χαρακτηριστικά και αξιοπιστία των μετρήσεων βαρύτητας και κάλυψη των δεδομένων σε παγκόσμια κλίμακα.

Οι νέες αυτές απαιτήσεις είναι επιβεβλημένες προκειμένου να κατανοηθούν πληρέστερα οι φυσικές διεργασίες στο εσωτερικό της Γης, οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των τεκτονικών πλακών, οι δυναμικές μεταβολές των ωκεανών, το ισοζυγίο πάγου στους ωκεανούς και το ισοζύγιο μάζας της Γης σε μικρές χρονικές κλίμακες γενικότερα, καθώς επίσης και οι μεταβολές της στάθμης της θάλασσας, και ο ακριβής προσδιορισμός των συστημάτων των υψομέτρων σε τοπική, περιφερειακή και παγκόσμια κλίμακα.

Αναμένεται, ότι ο βέλτιστος συνδυασμός δεδομένων των δορυφόρων CHAMP και GRACE, σήμερα που αρχίζουν να γίνονται διαθέσιμα και περισσότερα δεδομένα της πιο πρόσφατης αποστολής GOCE, θα επιτρέψει τον προσδιορισμό του γεωειδούς με ακρίβεια μερικών cm σε παγκόσμια κλίμακα. Αυτό θα δώσει νέα ώθηση στον προσδιορισμό ορθομετρικών υψομέτρων μεγάλης ακρίβειας αποκλειστικά με μετρήσεις GPS και θα καταστήσει δυνατή την ακριβέστερη σύνδεση των υπαρχόντων κατακόρυφων συστημάτων αναφοράς, οδηγώντας μακροπρόθεσμα και στη δημιουργία ενός παγκόσμιου κατακόρυφου συστήματος αναφοράς. Οι νέες αυτές δυνατότητες και προοπτικές θα είναι το αντικείμενο του επόμενου τεύχους του ηλεκτρονικού περιοδικού.

Βιβλιογραφία

1. Εκτόξευση των δορυφόρων GRACE
2. The Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE)
3. GRACE Mission Home page
4. Roadmap for Future Satellite Gravity Missions
5. The 2nd GRACE Hydrology Workshop
6. GRACE in space
7. GRACE mission overview
8. The GRACE mission