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).

Στις μέρες μας, τα προβλήματα που έχουν δημιουργηθεί στο περιβάλλον από την ανθρώπινη επίδραση επάνω στην Γη έχουν πολλαπλασιαστεί σε βαθμό που οι επιπτώσεις τους συνεχώς επιδεινώνονται. Για το λόγο αυτό, σε διεθνές επίπεδο έχουν ξεκινήσει προσπάθειες για την όσο δυνατόν καλύτερη αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος. Σε αυτήν την κατεύθυνση κινείται και η Ευρωπαϊκή Υπηρεσία Διαστήματος (European Space Agency, ESA) με το πρόγραμμα "Ζωντανός Πλανήτης" (Living Planet Programme). Το πρόγραμμα αυτό σκοπεύει στην παρατήρηση της Γης με δορυφορικές αποστολές, μικρότερες σε από αυτές του παρελθόντος, αλλά με συγκεκριμένους σκοπούς και στόχους. Απώτερος σκοπός είναι η καλύτερη και λεπτομερέστερη γνώση των φυσικών δυνάμεων και των διαφόρων διεργασιών της Γης και του γήινου περιβάλλοντος γενικότερα, ούτως ώστε να μπορέσουμε να προστατεύσουμε την ίδια την Γη, οργανώνοντας καλύτερα την ζωή επάνω σε αυτήν. Στην προσπάθεια αυτή περιλαμβάνονται 9 δορυφορικές αποστολές, οι "Εξερευνητές της Γης (Earth Explorers)" όπως χαρακτηριστικά έχουν ονομασθεί. Οι δύο από αυτές τις αποστολές, επιλέχθηκαν το 1999, ώστε να είναι αυτές που θα σηματοδοτήσουν την έναρξη του μακρόπνοου αυτού προγράμματος. Οι συγκεκριμένες δύο αποστολές έχουν σαν κύριο στόχο τους, αφενός την μελέτη του γήινου πεδίου βαρύτητας και της Σταθερής Κυκλοφορίας στους Ωκεανούς και αφετέρου τις δυνάμεις στην ατμόσφαιρα - αντίστοιχα, η αποστολή GOCE (Gravity Field and steady-state Ocean Circulation Explorer) και η αποστολή ADM-Aeolus (Atmosphere Dynamics Mission Aeolus) όπως ονομάστηκαν.

Η διαστημική αποστολή GOCE είναι η πρώτη ανάμεσα σε τις πρώτες έξι δορυφορικές αποστολές των 'Εξερευνητών της Γης' που έχει ως κύριο στόχο τη συλλογή υψηλής ακρίβειας δεδομένων για το πεδίο βαρύτητας της Γης και αποσκοπεί στο να καταφέρουμε να αυξήσουμε το επίπεδο της γνώσης μας σε θέματα όπως οι σεισμοί, οι εσωτερικές διεργασίες που υφίστανται στην Γη, τα ηφαίστεια, η ωκεάνια κυκλοφορία η οποία παίζει ένα σημαντικό ρόλο στην ενέργεια που μεταφέρεται σ' ολόκληρο τον πλανήτη, οι μεταβολές της θαλάσσιας επιφάνειας και πολλές άλλες εφαρμογές. Το κύριο προϊόν που αναμένεται να έχουμε από την συγκεκριμένη αποστολή είναι ένα λεπτομερές μοντέλο γεωειδούς το οποίο θα είναι υπολογισμένο με πολύ μεγάλη ακρίβεια (της τάξης του 1 mGal ή 10-5 m/s² για την βαρύτητα και 1-2 cm για το γεωειδές) και υψηλή χωρική ανάλυση (της τάξης των 100 km ή και λιγότερο σε παγκόσμια κλίμακα.

Στο προηγούμενο άρθρο, παρουσιάστηκε μια γενική επισκόπηση της τεχνολογίας, των τεχνικών χαρακτηριστικών και των επιστημονικών επιτευγμάτων των δύο ειδικών αποστολών CHAMP και GRACE που προηγήθηκαν 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 παρόν τεύχος, το οποίο (όπως και το προηγούμενο) βασίζεται εν πολλοίς στις σπουδαστικές εργασίες που εκτελέστηκαν ως μέρος του μαθήματος "Εισαγωγή στο Γήινο Πεδίο Βαρύτητας" που διδάσκεται στη ΣΑΤΜ/ΕΜΠ, η παρουσίαση επεκτείνεται στην περιγραφή της, ακόμα σε εξέλιξη, αποστολής του δορυφόρου GOCE. Συγκεκριμένα παρουσιάζονται η πρωτοποριακή τεχνική των μετρήσεων που χρησιμοποιεί και της νέας εικόνας του πεδίου βαρύτητας της Γης που έχει ήδη δώσει ο δορυφόρος 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

Nowadays, the problems caused in the environment by the human activities on earth have multiplied to such an extent that their impact is constantly getting worse. For this reason, international efforts have begun in order to deal with this problem in the best way possible. Exactly in this direction moves and the European Space Agency's (European Space Agency, ESA) "Living Planet Programme". This effort is focused around several Earth observation satellite missions, smaller in scope than in the past, but with specific goals and objectives. The ultimate goal is to better understand and gain more detailed knowledge of the natural forces and the various processes of the Earth and the Earth's environment in general, so that to be able to protect the Earth itself, and organize in a better way our lives on it. This effort is to include a total of nine satellite missions, the so-called "Earth Explorers". Two of these missions, were selected in 1999 to mark the beginning of this long-term programme - respectively, the so-called GOCE (Gravity Field and steady-state Ocean Circulation Explorer) and the ADM- Aeolus missions, which have as their main objective, the first to study of Earth's gravity field and the steady-state of the oceans and the other to study the forces occurring in the atmosphere.

GOCE is the first among a series of the first six missions already defined by ESA which has the main aim of collecting highly accurate data about the Earth's gravitational field that will help us increase the level our knowledge on various physical phenomena such as earthquakes, internal processes that exist on Earth, activities of volcanoes, the ocean circulation which plays an important role in the energy transported to the whole world, as well as changes in the sea surface and in many other applications. The main product of the mission is expected to be a detailed model of the Earth's geoid which will be calculated with great accuracy (about 1 mgal or 10-5 m/s² for gravity anomalies and 1-2 cm in the geoid heights) and high spatial resolution (around 100 km or less on a global scale).

The previous article presented an overview of the technology, the technical data and the scientific achievements of the two preceding gravity missions, CHAMP and GRACE, which were to study the temporal changes of Earth's gravity field on a global scale and demonstrete how their data would relate to the physical processes occurring inside and at the surface of the planet. In this issue, the discussion is extended further to describe the ongoing mission of the GOCE satellite and outline some of its important results to date. Specifically, the innovative measuring technique being used, the so-called gravity gradiometry will be presented, together with the new images of the Earth's gravitational field that have already been computed from the satellite's data, thus showing, among many other applications, how the accurate recording of the gravity signals is emerging as the key element for tracking and estimating the direction of motion of the ocean currents.

Keywords: GOCE, satellite gravity mission GOCE, Living Planet Programme, Gravity Field and steady-state Ocean Circulation Explorer, γήινο πεδίο βαρύτητας.

Το μεγαλύτερο περιβαλλοντικό ζήτημα που αντιμετωπίζουμε σήμερα είναι η παγκόσμια αλλαγή, η οποία περιλαμβάνει όχι μόνο την αλλαγή του κλίματος, αλλά και τη μεγάλη κλίμακα των επιπτώσεων που έχουν στο περιβάλλον ο συνεχώς αυξανόμενος παγκόσμιος πληθυσμός και η συνέχιση της οικονομικής ανάπτυξης.

Την τελευταία δεκαετία, ένας από τους στόχους του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος (European Space Agency, ESA) είναι να αυξήσει τις επιστημονικές γνώσεις σχετικά με τα αίτια και τις επιπτώσεις των κλιματικών αλλαγών, μέσω μιας σειράς διαστημικών αποστολών και ερευνητικών προγραμμάτων για την ακριβή παρακολούθηση της Γης ως σύστημα. Για το σκοπό αυτό, ξεκίνησε το πρόγραμμα «Εξερευνητές Γης» με στόχο την εκτόξευση, αρχικά, έξι δορυφόρων, μεταξύ 2009 και 2013. Αυτοί οι δορυφόροι αποσκοπούν στο να παρέχουν σημαντική συμβολή στην παγκόσμια προσπάθεια για την περαιτέρω κατανόηση της λειτουργίας Γης συνεισφέροντας στην έρευνα για την υπερθέρμανση του πλανήτη με τη μέτρηση ορισμένων κρίσιμων κλιματικών παραγόντων, όπως οι μεταβολές στον υδρολογικό κύκλο, στον όγκο και στην έκταση των πάγων στις αρκτικές περιοχές της Γης και στην ατμόσφαιρα.

Η προσπάθεια της ESA επικεντρώνεται στην μελέτη της ατμόσφαιρας, της βιόσφαιρας, της υδρόσφαιρας, της κρυόσφαιρας και του εσωτερικού της Γης. Ωστόσο, η έμφαση δίνεται επίσης και στο να μάθουμε περισσότερα σχετικά με τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ αυτών των γήινων υποσυστημάτων και τον αντίκτυπο που έχει η ανθρώπινη δραστηριότητα στις φυσικές διαδικασίες της Γης. Οι αποστολές των Εξερευνητών της Γης διακρίνονται σε δύο κατηγορίες: τις αποστολές Πυρήνες (Core missions) και τις αποστολές Ευκαιρίας (Opportunity missions). Οι πρώτες στοχεύουν άμεσα σε συγκεκριμένες περιοχές του δημόσιου ενδιαφέροντος και έχουν επιλεγεί μέσω ευρείας διαβούλευσης με την επιστημονική κοινότητα. Οι αποστολές Ευκαιρίας βασίζονται σε μικρότερους, χαμηλού κόστους δορυφόρους που μπορούν σχετικά γρήγορα να κατασκευαστούν και να τεθούν σε τροχιά για την άμεση αντιμετώπιση ζητημάτων περιβαλλοντικού ενδιαφέροντος.

Οι πρώτοι δύο δορυφόροι των «Εξερευνητών της Γης» εκτοξεύτηκαν το 2009: Ο δορυφόρος GOCE (Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer), για την μελέτη του πεδίου βαρύτητας και ο SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity), για την μελέτη των αποθεμάτων νερού στον πλανήτη, για την αλμυρότητα των ωκεανών, καθώς και για την υγρασία του εδάφους - που είναι ιδιαίτερα σημαντική για τις χώρες που υποφέρουν από λειψυδρία - αλλά και για τη βελτίωση της πρόγνωσης καιρού σε εποχιακή κλίμακα και για τα ακραία καιρικά φαινόμενα. Οι αισθητήρες του SMOS και οι μέθοδοι ανάλυσης των δεδομένων που παρέχει είχαν χρησιμοποιηθεί προηγουμένως για την εύρεση νερού στον πλανήτη Άρη, αλλά είναι η πρώτη φορά που χρησιμοποιούνται για μετρήσεις της Γης από ένα δορυφόρο. Οι μετρήσεις βασίζονται σε ένα καινοτόμο 2-D συμβολόμετρο που πραγματοποιεί παρατηρήσεις θερμικής φωτεινότητας στη ζώνη L (1.4 GHz) του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Οι παρατηρήσεις αυτές μεταφράζονται σε πληροφορίες σχετικά με την υγρασία στο έδαφος και την αλατότητα στα επιφανειακά στρώματα των ωκεανών, που και τα δύο είναι αναγκαία για την περαιτέρω κατανόηση του υδρολογικού κύκλου της Γης.



Ο δορυφόρος CryoSat-2, για την μελέτη των πάγων, εκτοξεύτηκε τον Απρίλιο του 2010. Μετά τον SMOS, είναι ο δεύτερος στη σειρά των δορυφόρων Ευκαιρίας και αποτελεί τον διάδοχο του CryoSat, ο οποίος χάθηκε μετά από μια αποτυχημένη εκτόξευση το 2005. Ήδη βρίσκεται σε τροχιά από τις 8 Απριλίου 2010, παρέχοντας σημαντικές πληροφορίες σχετικά με την κατάσταση του πάγου στους πολικούς ωκεανούς, στη Γροιλανδία και την Ανταρκτική. Με την αύξηση της θέρμανσης του πλανήτη, οι αλλαγές στο πάχος των πάγων είναι μείζονος σημασίας, επειδή το λιώσιμο των παγετώνων και των πολικών πάγων μπορεί να προκαλέσει σημαντική αύξηση της στάθμης των ωκεανών, και συνεπώς να απειλήσει τις παράκτιες περιοχές σε όλον τον κόσμο. Ο πάγος παίζει ακόμα σημαντικό ρόλο στην πολύπλοκη διαδικασία των κλιματικών αλλαγών, αντανακλώντας το ηλιακό φως. Συνεπώς, η στενή και ακριβής παρακολούθηση των χαρακτηριστικών του πάγου από το δορυφόρο CryoSat-2 είναι εξαιρετικά σημαντική.

Για το 2014 είναι προγραμματισμένη η εκτόξευση του δορυφόρου ADM-Aeolus (Atmosphere Dynamics Mission - Aeolus) της οποίας πρωταρχικός στόχος είναι να πραγματοποιήσει από το διάστημα μετρήσεις των κάθετων προφίλ του ανέμου. Η αποστολή χρησιμοποιεί ένα υψηλής απόδοσης Doppler LIDAR για τη μέτρηση των ανέμων που βασίζεται στην χρήση τεχνικών συμβολομετρίας.

Το 2015, θα ακολουθήσει ο δορυφόρος EarthCARE (Earth Clouds Aerosols and Radiation Explorer) με τον οποίο θα μετρούνται τα αερολύματα και τα ποσοστά της ακτινοβολίας στα σύννεφα της γήινης ατμόσφαιρας, με στόχο να βελτιώσουμε τα μοντέλα και την κατανόηση μας για τον ρόλο της ισορροπία της ακτινοβολίας της Γης στο κλίμα, ωστε να παραχθούν καλύτερα αριθμητικά μοντέλα πρόβλεψης.

Οι υπόλοιποι δορυφόροι της σειράς Εξερευνητές της Γης προγραμματίζεται να εκτοξευτούν στα επερχόμενα χρόνια. Η αποστολή Σμήνος (Swarm) που προβλέπεται να εκτοξευθεί μέσα στο 2012 έχει στόχο να παράσχει την καλύτερη που έγινε ποτέ έρευνα του γεωμαγνητικού πεδίου και της χρονικής εξέλιξής του. Τα γεωμαγνητικά μοντέλα που θα προκύψουν από τη συγκεκριμένη αποστολή θα προσφέρουν νέες γνώσεις για τις ποικίλες γεωφυσικές διεργασίες στο εσωτερικό της Γης. Αυτές οι πληροφορίες, με τη σειρά τους, θα οδηγήσουν σε καλύτερη κατανόηση των ατμοσφαιρικών διεργασιών, και επίσης να έχουν πρακτικές εφαρμογές σε τομείς όπως ο διαστημικός καιρός και οι κινδύνοι από τις ακτινοβολίες του διαστήματος στις οποίες εκτείθεται συνεχώς η Γη. Προς το παρόν, μέχρι σήμερα, διενεργούνται μελέτες σκοπιμότητας για να καθοριστούν και να επιλεγούν οι επόμενες αποστολές Εξερευνητές της Γης 7 και 8, για τις οποίες εξετάζονται οι υποψήφιες αποστολές:

• BIOMASS - με στόχο να κάνει μετρήσεις της δασικής βιομάζας σε παγκόσμια κλίμακα
• CoReH2O (Cold Regions Hydrology High-resolution Observatory) - με στόχο να προβεί σε λεπτομερείς παρατηρήσεις των βασικών χαρακτηριστικών του κύκλου "χιόνι, πάγος και νερό"
• PREMIER (PRocess Exploration through Measurements of Infrared and millimetre-wave Emitted Radiation) - με στόχο να κατανοηθούν οι διαδικασίες που συνδέουν τα αέρια, την ακτινοβολία, τα χημικά στοιχεία στην ατμόσφαιρα με το κλίμα.
• FLEX (Florescence Explorer) και CarbonSat - που βρίσκονται ακόμα σε στάδιο προμελέτης.

Ο παραδοσιακός τρόπος μέτρησης του πεδίου βαρύτητας της Γης βασίζεται στο να συγκρίνονται οι διαφορές του κατά πόσο μια "δοκιμαστική μάζα", όπως σε ένα εκκρεμές ή σε ένα βαρύμετρο επηρεάζεται από την βαρυτική έλξη σε διάφορες τοποθεσίες της Γης. Μετρήσεις με τις εν λόγω κλασσικές μεθόδους έχουν γίνει σε πολλές περιοχές της Γης, οι οποίες όμως διαφέρουν ποιοτικά αλλά και ως προς την κάλυψη της γήινης επιφάνειας είναι εν πολλοίς ανολοκλήρωτες σε πολλές, κυρίως δυσπρόσβατες ηπειρωτικές περιοχές, αλλά και στις θάλλασες. Ειδικότερα, ακόμα και μια συντονισμένη προσπάθεια να συλλεγούν δεδομένα βαρύτητας στο επίπεδο της θάλασσας και στο εσωτερικό των ηπείρων, για όλη τη γήινη επιφάνεια και με τη ζητούμενη σήμερα ακρίβεια, θα ήταν μια πολύ επίπονη διαδικάσία η οποία θα διαρκούσε δεκαετίες. Για τον λόγο αυτό οι μετρήσεις έπρεπε να γίνουν από το διάστημα.

Η διαστημική αποστολή GOCE δεν είναι η πρώτη αποστολή που υλοποιήθηκε με σκοπό να μετρήσει στοιχεία του γήινου πεδίου βαρύτητας. Προηγήθηκαν οι αποστολές CHAMP και GRACE το 2000 και 2002 αντίστοιχα που είναι συναφείς με τον GOCE και οι οποίες βελτίωσαν σημαντικά τις γνώσεις μας σχετικά με το γήινο πεδίο βαρύτητας. Όμως οι ακρίβειες που μπορεί να μας δώσει ο GOCE είναι πολύ πιο μεγάλες από τις παραπάνω αποστολές εξαιτίας των ακριβέστερων οργάνων που διαθέτει.

Ο δορυφόρος GOCE εκτοξεύτηκε, με τη βοήθεια ενός τροποποιημένου διηπειρωτικού βαλλιστικού πυραύλου, στις 17 Μαρτίου 2009 από το κοσμοδρόμιο Πλεσέτσκ (Plesetsk) της Βορειοδυτικής Ρωσίας, 800 km βόρεια της Μόσχας, και είναι ο πρώτος δορυφόρος των «Εξερευνητών Γης» που τέθηκε στο διάστημα. Η προγραμματισμένη διάρκεια ζωής του ήταν να βρίσκεται στο διάστημα για περίπου 20 μήνες.

Η κατασκευή του αποτελεί ένα μοναδικό επίτευγμα για τη διαστημική μηχανική ακόμη και στην εποχή μας, όπου η τεχνολογία συνεχώς βελτιώνεται. Θεωρείται ο πιο εντυπωσιακός σε σχέδιο δορυφόρος που έχει ποτέ κατασκευαστεί, και ταυτόχρονα ο πιο εξελιγμένος τεχνολογικά δορυφόρος παρατήρησης της Γης. Ο δορυφόρος ζυγίζει μόλις 1.1 τόνους και οι διαστάσεις του είναι 5 x 1 μέτρα, μεγέθη πολύ μικρά για έναν δορυφόρο.

Ο GOCE ξεχωρίζει από τους άλλους δορυφόρους λόγω του σχήματος του, που είναι οκταγωνικό θυμίζοντας βέλος, και επιπρόσθετα διαθέτει πλευρικά πτερύγια σταθεροποίησης. Το σχήμα του και τα πτερύγια του είναι έτσι κατασκευασμένα, ώστε να είναι όσο περισσότερο αεροδυναμικά γίνεται. Το σχήμα του δεν θυμίζει καθόλου τα τυποποιημένα "containers" με τα οποία συνήθως μοιάζουν οι περισσότεροι δορυφόροι. Αυτός ο σχεδιασμός του GOCE σχετίζεται άμεσα με το επιχειρησιακό ύψος της τροχιάς του, το οποίο είναι μόλις 263 km πάνω από τη γήινη επιφάνεια, το οποίο είναι αρκετά χαμηλά για να έλκεται έντονα από τη Γη και πολύ χαμηλότερα από τους άλλους δορυφόρους παρατήρησης της Γης, κάτι αναγκαίο προκειμένου να μπορέσει να καταγράψει και τις παραμικρές ανωμαλίες (διακυμάνσεις) στη βαρύτητα σε όλη την επιφάνεια της Γης, καθώς και τις μεταβολές της στον χώρο και το χρόνο, με τη μεγαλύτερη ανάλυση που έγινε ποτέ.



Σε ένα τόσο χαμηλό ύψος τα μόρια του αέρα είναι αρκετά πυκνά και το αεροδυναμικό σχήμα του δορυφόρου αποτελεί βασικό παράγοντα για την επιβίωσή του μέσα στις αντίξοες συνθήκες ατμοσφαιρικών τριβών σε αυτό το διαστημικό περιβάλλον και προκειμένου να παραμένει σταθερός στα ρεύματα των ανέμων του διαστήματος. Παρόλα αυτά η επιρροή των μορίων του αέρα στην τροχιά του δορυφόρου είναι αρκετά σημαντική. Η αντίσταση του αέρα που ασκείται έχει σημαντική επίδραση στην ταχύτητα του δορυφόρου, μειώνοντας την με την πάροδο του χρόνου. Για να μπορεί να κάνει τόσο ακριβείς μετρήσεις ο δορυφόρος, επειδή σταδιακά θα χάνει ταχύτητα λόγω της ασθενούς αντίστασης του αέρα, ανά διαστήματα η τροχιά του διορθώνεται με ένα προηγμένο προωθητικό σύστημα βασισμένο σε έναν κινητήρα ιόντων, ο οποίος εκτοξεύει με μεγάλη ταχύτητα ιόντα του ευγενούς αερίου ξένου, με αποτέλεσμα να δίνει μία επιπλέον ώθηση στον δορυφόρο διορθώνοντας με αυτόν τον τρόπο την ταχύτητα και την τροχιά του. Από την άλλη μεριά, το χαμηλό αυτό ύψος τροχιάς του GOCE του επιτρέπει να πραγματοποιεί μετρήσεις με πολλή μεγάλη ακρίβεια και να καταγράφει και και τις παραμικρές ανωμαλίες (διακυμάνσεις) του βαρυτικού πεδίου της Γης, στο χώρο και στον χρόνο. Η καταγραφή αυτή γίνεται με όργανα υψηλής ακρίβειας.

Λόγω της περιστροφής της Γης, της ανισοκατανομής της γήινης μάζας στο εσωτερικό της Γης και της θέσης των βουνών και των τάφρων στον ωκεανό, η έλξη της Γης σε αντικείμενα και ανθρώπους δεν είναι ακριβώς ίδια σε όλα τα σημεία του πλανήτη.

Οι μετρούμενες από τον δορυφόρο ανωμαλίες του γήινου πεδίου βαρύτητας οφείλονται εν μέρει στο σχήμα του πλανήτη, που δεν είναι τέλεια σφαίρα, αλλά πιο πεπλατυσμένη στους πόλους, ενώ, παράλληλα, το εσωτερικό της δεν αποτελείται σε όλες τις περιοχές από πετρώματα ίδιας πυκνότητας, γεγονός που επίσης επηρεάζει τη βαρύτητα στην επιφάνεια της Γης, η οποία έτσι εμφανίζει συνεχείς διακυμάνσεις, αδιόρατες (απειροελάχιστες), αλλά υπαρκτές σε όλα τα μήκη και πλάτη της Γης. Με αυτό τον τρόπο, η βελτίωση των γνώσεων σχετικά με την κατανομή της βαρύτητας στη Γη θα αποδειχθεί χρήσιμη σε πολλές διαφορετικές εφαρμογές, όπως για παράδειγμα, μπορεί να βελτιώσει τη μέτρηση των αλλαγών στη στάθμη της θάλασσας, η οποία παρέχει ένα κοινό σύστημα αναφοράς για τη μέτρηση των υψομέτρων.


Δεδομένου ότι η αποστολή GOCE έχει σαν στόχο να επιτύχει πολύ μεγάλες ακρίβειες, στον δορυφόρο έχουν τοποθετηθεί τα ακόλουθα συστήματα και όργανα τα οποία παίζουν τον κυριότερο ρόλο σε αυτήν την προσπάθεια:

Ηλεκτροστατικό Βαρυτικό Βαθμιδόμετρο

Για να μετρηθεί η βαρύτητα με τις προδιαγραφόμενες υψηλές ακρίβειες, δεν μπορεί να υπάρχει καμμιά διαταραχή από κινούμενα μέρη στο δορυφόρο. Για το λόγο αυτό, ολόκληρο το δορυφορικό σκάφος του GOCE είναι στην πραγματικότητα μια εξαιρετικά ευαίσθητη μετρητική διάταξη που χρησιμοποιεί για πρώτη φορά την τεχνική της βαθμιδομετρίας (gradiometry), δηλαδή της μέτρησης των βαθμίδων της βαρύτητας ή αλλιώς πως αυτή μεταβάλλεται στις τρεις διαστάσεις.

Το ηλεκτροστατικό βαρυτήμετρο ή σωστότερα βαθμιδόμετρο της βαρύτητας (Electrostatic Gravity Gradiometer, EGG) πρόκειται ουσιαστικά για ένα προηγμένο τριαξονικό βαθμιδόμετρο της βαρύτητας, το οποίο αποτελείται από 3 ζευγάρια τριαξονικών επίσης, επιταχυνσιομέτρων που στηρίζονται το καθένα σε ένα ακλόνητο βραχίονα από κράμα άνθρακα. Είναι ειδικά σχεδιασμένο για να χαρτογραφήσει το στατικό μέρος του πεδίου βαρύτητας - την ένταση της βαρύτητας και τις ανωμαλίες του γεωειδούς με υψηλή ακρίβεια και υψηλή χωρική ανάλυση.

Συγκεκριμένα, τα επιταχυνσιόμετρα σε κάθε άξονα χωρίζονται μεταξύ τους με μία βάση περίπου 0.5 m, τα οποία ενεργούν σαν κλισίμετρα που καθιστούν, για πρώτη φορά, εφικτή τη μέτρηση των κλίσεων της βαρύτητα προς όλες τις κατευθύνσεις. Η αρχή λειτουργίας του βαθμιδόμετρου βασίζεται στη μέτρηση των ασκούμενων δυνάμεων που διατηρούν μια μάζα στο κέντρο ενός ειδικά κατασκευασμένου κλωβού. Ειδικά ελατήρια ηλεκτροστατικής αναστολής παρέχουν τον έλεγχο των χρησιμοποιούμενων μαζών από την άποψη της γραμμικής και της περιστροφικής κίνησης τους. Τρία τέτοια ζεύγη μαζών διαμορφώνουν τρια αντίστοιχα επιταχυνσιόμετρα κατάλληλα τοποθετημένα στην υπερβολικά σταθερή δομή της πλατφόρμας εγκατάστασης τους (στην προκειμένη περίπτωση στο άκαμπτο σώμα του δορυφόρου). Τα τρία επιταχυνσιόμετρα τοποθετούνται ορθογώνια το ένα ως προς το κάθενα από τα άλλα: το ένα ευθυγραμμίζεται κατά τον άξονα κίνησης του δορυφόρου κατά μήκος της τροχιάς, το δεύτερο στη διεύθυνση προς το κέντρο της Γης και το τρίτο στην κάθετη διεύθυνση στην τροχιά. Με αυτό τον συνδυασμό διαφορετικών μετρήσεων επιτάχυνσης είναι δυνατόν να παραχθούν οι αναγκαίες βαρυτικές συνιστώσες που προσδιορίζουν το πεδίο βαρύτητας της Γης.

Ο θόρυβος των μετρήσεων τους είναι μικρότερος από 2x10^-12 m/s² σε ένα καθορισμένο εύρος μετρήσεων, δηλαδή τα επιταχυνσιόμετρα είναι σχεδιασμένα να μετρούν επιταχύνσεις 10 τρισεκατομμύρια φορές μικρότερες από την επιτάχυνση της βαρύτητας στο επίπεδο της θάλασσας. Δείγμα του μοναδικού σχεδιασμού του δορυφόρου GOCE είναι ότι οι θέσεις των επιταχυνσιόμετρων μέσα στον δορυφόρο υπολογίζονται με ακρίβεια ενός πικόμετρου (τρισεκατομμυριοστού του μέτρου), το οποίο ισοδυναμεί με το 1% της διαμέτρου ενός ατόμου. Αυτός ο τύπος βαθμιδόμετρου είναι περίπου 100 φορές πιο ευαίσθητο από τα παρόμοια όργανα που έχουν χρησιμοποιηθεί προηγουμένως σε διαστημικό περιβάλλον. Το συγκεκριμένο βαρυτήμετρο ζυγίζει 180 χιλιόγραμμα και απαιτεί περίπου 100 W ηλεκτρικής ενέργειας.

Συστήματα δορυφορικού εντοπισμού θέσης

Για να εξασφαλιστεί η υψηλή ακρίβεια των μετρήσεων βαρύτητας, είναι απαραίτητο να είναι γνωστή με ανάλογη υψηλή ακρίβεια η θέση του δορυφόρου στην τροχιά του κάθε στιγμή.

Το σύστημα που παρέχει στον δορυφόρο τον ακριβή εντοπισμό της θέσης του, με την τεχνική εντοπισμού δορυφόρου-προς-δορυφόρο (Satellite-to-Satellite Tracking), είναι ουσιαστικά ένας διαστημικός 12-κάναλος δέκτης GPS, δύο συχνοτήτων (L₁ και L₂), με δυνατότητες ταυτόχρονων μετρήσεων από 12 δορυφόρους GPS. Επίσης δίνει δεδομένα για τον ακριβή προσδιορισμό των βαρυτικών διαταραχών της τροχιάς του δορυφόρου και χρησιμοποιεί διαδικασίες πλοήγησηw του δορυφόρου σε πραγματικό χρόνο για τον καθορισμό της θέσης του, καθώς επίσης και ακριβείς ενδείξεις μέτρησης του χρόνου για τη χρονική σήμανση των μετρήσεων βαρύτητας. Η συνολική μάζα του είναι περίπου 12 χιλιόγραμμα και απαιτεί ενέργεια λιγότερη από 32 W, ενώ έχει δυνατότητες διαχείρισης και βελτιστοποίησης του αριθμού των καναλιών που μετρούν για εξοικονόμηση ενέργειας. Το σύστημα διαθέτει επίσης πλήρη εφεδρικό δέκτη GPS.

Ανακλαστήρες Laser

Ο δορυφόρος είναι επίσης εφοδιασμένος με ειδικούς ανακλαστήρες που έχουν τη δυνατότητα να ανακλούν παλμούς λέιζερ κατά μήκος της προσπίπτουσας ακτίνας φωτός που εκπέμπουν προς το δορυφόρο επίγειοι σταθμοί δορυφορικών συστημάτων λέιζερ (Satellite Laser Ranging). Με τον τρόπο αυτό, ως εφεδρική διαδικασία, αποκτούνται συμπληρωματικά δεδομένα εντοπισμού του δουφόρου από παρατηρήσεις της απόστασης του δορυφόρου από το παγκόσμιο δίκτυο σταθμών SLR (SLR Service network), για τον ακριβή προσδιορισμό της τροχιάς του.

Σύστημα Ελέγχου της Θέσης του Δορυφόρου

Το σύστημα αποτελείται από ένα προηγμένο μηχανισμό κίνησης του δουφόρου που φροντίζει για την διατήρηση της τροχιάς και της θέσης του δορυφόρου και αποτελείται από τα εξής υποσυστήματα:

• Προωθητικό Σύστημα Ιόντων
• Ανιχνευτή άστρων
• 3-αξονικό μαγνητόμετρο
• Ψηφιακό αισθητήρα ηλίου

Το προωθητικό σύστημα ιόντων αποτελείται από ένα κινητήρα προώθησης ιόντων, ένα σύστημα τροφοδότησης αερίου και συνδεδεμένα ηλεκτρονικά συστήματα ισχύος και ελέγχου. Το σύστημα ιόντων είναι, όπως ήδη αναφέρθηκε, η βασική συσκευή προώθησης του GOCE και λειτουργεί ώστε να αντισταθμίζονται οι οποιεσδήποτε μη-βαρυτικές δυνάμεις που δρουν στο διαστημικό σκάφος. Αυτό επιτυγχάνεται εξουδετερώνοντας την αντίσταση του αέρα κατά μήκος της τροχιάς του δορυφόρου με την εκτόξευση ιόντων του ευγενούς αερίου ξένου και δημιουργώντας τις κατάλληλες συνθήκες διατήρησης των επιταχυνσιόμετρων σε "ελεύθερης πτώση". Ο GOCE είναι εξοπλισμένος με 2 πλήρη εφεδρικά τέτοια συστήματα ιόντων. Η χωρητικότητα του ντεπόζιτου του συστήματος είναι 40 χιλιόγραμμα ξένου, αρκετά για μία αποστολή 30 μηνών - που αποτελεί και τον πιο κρίσιμο παράγοντα της διάρκειας ζωής του δορυφόρου.

Το μεταφερόμενο μαγνητόμετρο είναι ευθυγραμμισμένο στους x, y και z άξονες σε περίπτωση που υπάρξει ανάγκη ευθυγράμμισης εκ νέου των αξόνων του διαστημόπλοιου, με αναφορά το μαγνητικό πεδίο της Γης.

Οι αισθητήρες άστρων δίνουν πληροφορίες για τη θέση του δορυφόρου σε σχέση με τις θέσεις γνωστών αστέρων. Οι ανιχνευτές άστρων χρησιμοποιούνται για να παρέχουν πληροφορίες σχετικά με τον προσανατολισμό και την γωνιακή ταχύτητα του δορυφόρου. Τρεις ανιχνευτές λειτουργούν ταυτόχρονα έτσι ώστε να παρέχουν τις αναγκαίες πληροφορίες φωτεινών άστρων.

Περισσότερες πληροφορίες για το πρόγραμμα "Ζωντανός Πλανήτης" και τη δορυφορική αποστολή GOCE για τη μελέτη του πεδίου βαρύτητας:

• Introducing the ESA Living Planet Programme: ESA Stragegy for Earth Observation (1999), SP-1234
• Earth Explorers: The Science and Research Elements of ESA's Living Planet Programme (1998) SP-1227
• GOCE_3rd_Workshop
• Earth Explorers: GOCE
• Wikipedia: GOCE

Για να επιτύχει ο δορυφόρος GOCE την ακρίβεια των μετρήσεων που είχε καθοριστεί, θα έπρεπε να λειτουργεί σύμφωνα με κάποιες αρχές, οι οποίες είχαν καθοριστεί κατά την διάρκεια του προγραμματισμού της αποστολής και αφορούσαν κυρίως:

• τον καθορισμό της τροχιάς και των αντίστοιχων τροχιακών στοιχείων που επιβάλλουν την κίνηση και τον υπολογισμό της θέσης του δορυφόρου, και
• τις διαδικασίες των βαρυτικών μετρήσεων.

H τροχιά του δορυφόρου είναι σχεδόν πολική, ηλιο-σύγχρονη τροχιά. Δηλαδή μια τροχιά στην οποία το τροχιακό επίπεδο του δορυφόρου είναι συνεχώς σε ένα σταθερό προσανατολισμό προς τον Ήλιο, με άμεσο πρακτικό αποτέλεσμα ο δορυφόρος να διέρχεται πάνω από το ίδιο σημείο της γήινης επιφάνειας ακριβώς την ίδια τοπική ώρα κάθε μέρα, ευρισκόμενος στο ίδιο σημείο πάνω από τον ορίζοντα και το επίπεδο της δορυφορικής τροχιάς να διατηρεί σταθερή γωνία ως προς το φως του Ήλιου.

Αρχικά ο δορυφόρος τοποθετήθηκε σε ύψος 280 km και προοδευτικά, σε διάστημα 45 ημερών, κατέβηκε στο επιχειρησιακό του ύψος των 265 km, όπου κινείται με ταχύτητα περίπου 8 km/sec προκειμένου να εκτελεί ελεύθερη πτώση στο διάστημα. Η τροχιά του δορυφόρου, σχεδιάστηκε για να επιτελέσει δύο σενάρια κάλυψης της γήινης επιφάνειας: την χειμερινή και την εαρινή, με δύο αντίστοιχες φάσεις μετρήσεων, κάθε μία από τις οποίες περιλαμβάνει μέχρι 6 μήνες συλλογή δεδομένων. Κατά την χειμερινή περίοδο, θα έχει ισημερινό πέρασμα στις 06:00, ενώ στην εαρινή στις 18:00. Έτσι, η κάλυψη της Γης, εκτός της περιοχής των Πόλων, επιτυγχάνεται μετά από περίπου 30-40 ημέρες. Οι αντίστοιχες τροχιές, είναι επαναλαμβανόμενες και διαρκούν 60 ημέρες, με μια επικάλυψη μεταξύ τους που δεν ξεπερνά τα 40 km.

Μετά την εκτόξευση του δορυφόρου και κατά τη διάρκεια της πρώτης φάσης της μετάβασης στην επιχειρησιακή τροχιά του, έγιναν οι απαραίτητες ρυθμίσεις του βαρυτήμετρου και η "βαθμονόμηση" του. Τα ηλιακά κάτοπτρα που είναι κατάλληλα τοποθετημένα στον δορυφόρο ώστε να "κοιτούν" συνεχώς τον ήλιο και να αποθηκεύουν την απαραίτητη ενέργεια. Επιπλέον, έχει προβλεφθεί η περίπτωση να διακοπεί κάποια φάση μετρήσεων, π.χ. κατά τη διάρκεια κάποιας μακράς περιόδου στην οποία ο δορυφόρος θα είναι στην σκιά της Γης (διάρκειας περίπου μέχρι και 5 μηνών), για περίπου 25 λεπτά σε κάθε τροχιά του. Σε αυτό το χρονικό διάστημα, υπάρχει μεγάλη πιθανότητα να προκληθούν ζημιές τα όργανα του δορυφόρου και για το λόγο αυτό η συγκεκριμένη κατάσταση απαιτεί την μεταφορά του δορυφόρου σε μία ασφαλέστερη τροχιά, ώστε εκεί να γίνει η ομαλή παύση των οργάνων του, χωρίς να υποστούν ζημιές. Η συνεχής παρακολούθηση της τροχιάς του δορυφόρου, των κινήσεων του και της θέσης του, καθώς και ο αντίστοιχος προγραμματισμός των εργασιών του δορυφόρου GOCE γίνεται από το Τμήμα Λειτουργίας Πτήσης (FOS, Flight Operation Segment) που λειτουργεί στο Διαστημικό Κέντρο ESOC (European Space Operations Centre), στο Darmstadt της Γερμανίας.

Η δορυφορική βαθμιδομετρία είναι μία μέτρηση των βαθμίδων (μεταβολών) της βαρύτητας, που γίνεται σε τρεις διευθύνσεις, μέσω των διαφορών των επιταχύνσεων μεταξύ δοκιμαστικών μαζών, από το σύνολο των 6 επιταχυνσιομέτρων, μέσα στο δορυφόρο. Με άλλα λόγια, το μετρούμενο μέγεθος είναι η διαφορά της επιτάχυνσης της βαρύτητας, στις συγκεκριμένες μάζες "ελέγχου" που βρίσκονται μέσα στο διαστημικό σκάφος, όπου οι διαφορές αυτές αντικατοπτρίζουν τις ελκτικές βαρυτικές δυνάμεις που ασκούν σε αυτές μεγάλες μάζες της Γης, όπως είναι οι ορεινοί και οι υποθαλάσσιοι όγκοι. Ωστόσο, οποιαδήποτε επιτάχυνση του δορυφόρου που δεν προέρχεται από την βαρύτητα, επηρεάζει όλα τα επιταχυνσιόμετρα που βρίσκονται μέσα στο δορυφόρο, με τον ίδιο τρόπο. Κάθε "μη-βαρυτική" επιτάχυνση του διαστημικού σκάφους απαλείφεται, ουσιαστικά, όταν πρόκειται να καταγραφούν διαφορές μεταξύ δύο επιταχυνσιομέτρων. Οι επιρροές από την περιστροφική κίνηση του δορυφόρου διορθώνονται, επίσης, με την αντίστοιχη διόρθωση για την φυγόκεντρη επιτάχυνση στην οποία υπόκειται ο δορυφόρος εξ αιτίας της περιστρεφόμενης ατμόσφαιρας μέσα στην οποία κινείται.

Όταν στις 17 Μαρτίου 2009 ο πανίσχυρος ρωσικός πύραυλος Rockot έφερνε σε τροχιά το διαστημικό σκάφος GOCE, ξεκινούσε ένα φιλόδοξο διαστημικό πρόγραμμα εξερεύνησης για πρώτη φορά του βαρυτικού πεδίου ολόκληρου του πλανήτη, με την μεγαλύτερη δυνατή ακρίβεια και λεπτομέρεια, όπως επίσης και της μελέτης της κίνησης-κυκλοφορίας των ρευμάτων των ωκεανών, της στάθμης των θαλασσών και τις διαφορές τους σε διάφορες περιοχές ώστε τα δεδομένα αυτά να επιτρέψουν τη δημιουργία ενός χάρτη όλου του πλανήτη. Η πρακτική ωφέλεια αναμενόταν να είναι μεγάλη σε σχέση με τις μέχρι σήμερα γνώσεις μας για το κλίμα, αλλά και να συνδυαστεί με τους σεισμούς, τα ηφαίστεια και παρόμοια φαινόμενα.

Οι μετρήσεις του GOCE έχουν ιδιαίτερη επιστημονική σημασία, καθώς για πρώτη φορά ο δορυφόρος συνεισφέρει στο να δημιουργηθεί ένας υψηλής ανάλυσης ψηφιακός χάρτης του «γεωειδούς» (της μαθηματικής επιφάνειας της Γης) και να καταγραφούν, για πρώτη φορά τόσο αναλυτικά, τις διακυμάνσεις της βαρύτητας σε όλη την επιφάνεια του πλανήτη και πώς αυτή μεταβάλλεται ανάλογα με το χώρο και το χρόνο. Αυτό, μεταξύ άλλων,

• επιτρέπει την καλύτερη κατανόηση της κυκλοφορίας των νερών των ωκεανών και της ανόδου της στάθμης των θαλασσών - κάτι που θα βοηθήσει στις κλιματικές προβλέψεις μέσα από πολύτιμα νέα δεδομένα,
• ενώ παρέχει καλύτερη γνώση της κατανομής της μάζας στο εσωτερικό της Γης, πράγμα που θα βοηθήσει στην πρόβλεψη των σεισμών και των ηφαιστειακών εκρήξεων, καθώς επίσης
• επιτρέπει πλέον να διαμορφωθεί ένα παγκόσμιο σύστημα μέτρησης των υψομέτρων οπουδήποτε στη Γη.

Η ωκεάνια κυκλοφορία διαδραματίζει πολύ σημαντικό ρόλο στην διαμόρφωση του κλίματος, αφού μεταφέρει θερμότητα από χαμηλά σε υψηλά γεωγραφικά πλάτη στην επιφάνεια των ωκεανών, ενώ ψυχρότερα ρεύματα μεταφέρονται από μεγάλα γεωγραφικά πλάτη σε βαθύτερα νερά, προς τον Ισημερινό. Το ρεύμα του κόλπου στον Ατλαντικό, γνωστό σαν Gulf Stream, το οποίο μεταφέρει θερμά επιφανειακά νερά βόρεια από τον κόλπο του Μεξικού, είναι ένα πολύ καλό παράδειγμα της μεγάλης σημασίας των ωκεάνιων υδάτων στην κατανομή της θερμότητας. Χάρη στο ρεύμα του Κόλπου, τα παράκτια ύδατα της Ευρώπης είναι κατά 4^οC θερμότερο από τα ύδατα, σε αντίστοιχα γεωγραφικά πλάτη στο Βόρειο Ειρηνικό. Οι επιστημονικές έρευνες υποδεικνύουν ότι ρεύμα του Κόλπου θα μπορούσε, κάτω από ακραίες κλιματικές αλλαγές, να καταστραφεί ή να αποπροσανατολιστεί από το λιώσιμο των πάγων της Αρκτικής. Ωστόσο, η τρέχουσες γνώσεις του πως οι ωκεανοί επηρεάζουν το κλίμα είναι σήμερα ανεπαρκείς ώστε να μπορεί να γίνει μια ακριβής πρόβλεψη της κλιματικής αλλαγής. GOCE έχει ως στόχο να αυξήσει τις δυνατότητες των δορυφορικών παρατηρήσεων για την παρακολούθηση, τη διάγνωση και την πρόβλεψη της κλιματικής αλλαγής. Η καλύτερη γνώση του πεδίου βαρύτητας, θα βοηθήσει να εκτιμηθεί η ελάττωση του πάχους των πολικών πάγων. Επίσης θα παράσχει ζωτικής σημασίας ενδείξεις για το εσωτερικό της Γης, εντοπίζοντας τις περιοχές όπου υπάρχουν κοιτάσματα πετρελαίου ή μεταλλευμάτων, ενώ παράλληλα θα επιτευχθεί καλύτερη κατανόηση για τη ροή των λιωμένων μαγματικών υλικών, τις κινήσεις των τεκτονικών πλακών και τις ενδεικτικές υπογραφές που αφήνουν οι σεισμοί.

Παρ' όλα αυτά, η παρούσα γνώση μας για τον ρόλο που παίζουν οι ωκεανοί στην διαμόρφωση του κλίματος είναι ανεπαρκής. Για να μπορεί να γίνει καλύτερη μελέτη του φαινομένου αυτού, είναι απαραίτητος ένας ακριβής χάρτης του γεωειδούς. Το γεωειδές είναι το μαθηματικά αληθινό σχήμα της Γης που λαμβάνει υπόψιν του τις επιπτώσεις της περιστροφής της Γης, τη διαφορά βάρους που προκύπτει από τη θέση των βουνών και των ωκεανών, όπως επίσης την άνιση κατανομή της μάζας και τις διακυμάνσεις της πυκνότητας στο εσωτερικό του πλανήτη. Η προκύπτουσες μικρές διακυμάνσεις του βαρυτικού πεδίου της Γης μεταφράζονται στο γεωειδές ως "βουναλάκια" και "πεδιάδες" πάνω από την ιδανική θεωρητικά επιφάνεια των θαλασσών, τη μέση σταθμη της θάλασσας ή αλλιώς το σχήμα που δείχνει πώς θα μοιάζει ο πλανήτης μας, αν ο παγκόσμιος ωκεανός σχηματιζόταν μόνο κάτω από τις επιδράσεις της βαρύτητας, χωρίς να υφίστανται σε αυτόν παλίρροιες και ρεύματα.

Οι αντίστοιχοι χάρτες που θα παραχθούν από τα δεδομένα του GOCE αναμένεται να παίξουν πολύ σημαντικό ρόλο στην μελέτη της κυκλοφορίας, όχι μόνο των επιφανειακών αλλά και των βαθύτερων υδάτων του ωκεανού. Η αντίστοιχη τεχνολογία της δορυφορικής αλτιμετρίας με radar μας παρέχει την πραγματική μορφή της ωκεάνιας επιφάνειας και επομένως εάν από αυτή αφαιρέσουμε την επιφάνεια του γεωειδούς, μπορούμε να έχουμε σαν αποτέλεσμα την τοπογραφία του ωκεανού που αποτελεί και το βασικότερο βήμα μελέτης της ωκεάνιας κυκλοφορίας των υδάτων.

Έχουν παραχθεί και στο παρελθόν χάρτες του γεωειδούς, αλλά χρησιμοποιώντας στοιχεία που ο δορυφόρος GOCE συνελεξε ήδη τους πρώτους μήνες της λειτουργίας του σε τροχιά, προέκυψε ένας λεπτομερέστατος χάρτης του γεωειδούς, όπως φαίνεται στην Εικόνα 8, ο οποίος σχεδιάστηκε με βάση τις μετρήσεις του δορυφόρου από τους πρώτους δύο μήνες της λειτουργίας του (από τον Νοέμβριο έως και τον Δεκέμβριο του 2009). Χαρακτηριστικό του είναι η λεπτομέρεια με την οποία αποτυπώνονται ασθενείς μεταβολές του βαρυτικού πεδίου της Γης.

Τέτοιας ποιότητας δεδομένα της βαρύτητας μπορούν να βοηθήσουν στο να κατανοηθούν καλύτερα οι διαδικασίες που προκαλούν τους σεισμούς όπως, για παράδειγμα, εκείνος στην Ιαπωνία. Η τεκτονική κίνηση των πλακών που προκάλεσαν τον Ιαπωνικό σεισμό δεν θα μπορούσε να παρατηρηθεί από το διάστημα, δεδομένου ότι συνέβη κάτω από τον ωκεανό, αλλά καταγράφοντας τις απειροελέχιστες διακυμάνσεις της βαρύτητας μπορεί να βοηθήσει στην κατανόηση των μηχανισμών που εμπλέκονται στις γήινες εσωτερικές διεργασίες πριν από ένα ισχυρό σεισμικό χτύπημα, επιτρέποντάς ενδεχομένως να προβλεφθεί ένας επικείμενος ισχυρός σεισμός.

Οι εν λόγω δυνατότητες παρέχονται μέσω της ποικιλίας των διαθέσιμων προϊόντων από τις μετρήσεις των δορυφόρων GOCE, τα οποία είναι άμεσα προσβάσιμα στο Διαδίκτυο. Συγκεκριμένα, τα δεδομένα GOCE 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 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.

Από την ESA διατίθενται στην επιστημονική κοινότητα, τρια διαφορετικά προϊόντα για για το πεδίο βαρύτητας που αντιπροσωπεύουν τρεις διαφορετικούς τύπους λύσεων:

• τη λεγόμενη χρονική επίλυση (Time-wise solution) ή εν συντομία προϊόν ΤΙΜ
• τη λεγόμενη άμεση επίλυση (Direct solution) ή εν συντομία προϊόν DIR
• τη λεγόμενη χωρική επίλυση (Space-wise solution) ή εν συντομία προϊόν SPW

Τα προϊόντα TIM από τις χρονικές λύσεις προκύπτουν αποκλειστικά από δεδομένα GOCE, δηλαδή δεν περιέχουν άλλες πληροφορίες για το πεδίο βαρύτητας π.χ. μέσω κάποιου προκαταρκτικού μοντέλου αναφοράς. Ως εκ τούτου, αυτά είναι αντιπροσωπευτικά των δυνατοτήτων της αποστολής GOCE και αποτελούν ένα ανεξάρτητο μέσο σύγκρισης με άλλα μοντέλα του γήινου δυναμικού.

Τα προϊόντα DIR από τις άμεσες αριθμητικές λύσεις, σε αντίθεση με τα προϊόντα των χρονικών λύσεων, προκύπτουν λαμβάνοντας υπόψη υφιστάμενη πρότερη γνώση του βαρυτικού πεδίου μέσω ενός μοντέλου αναφοράς για το δυναμικό της βαρύτητας της Γης. Ως εκ τούτου, ενσωματώνουν δεδομένα από άλλες δορυφορικές αποστολές, όπως π.χ. την αποστολή GRACE. Κατά συνέπεια, στο εκάστοτε μοντέλο σφαιρικών αρμονικών συντελεστών που προκύπτει, οι αρμονικοί συντελεστές χαμηλών βαθμών και τάξης στην αντίστοιχη άμεση αριθμητική λύση έχουν καλύτερη ακρίβεια από τους αρμονικοί συντελεστές του μοντέλου σφαιρικών αρμονικών της αντίστοιχης χρονικής λύσης.

Για να απεικονιστούν πληροφορίες του πεδίου βαρύτητας σε τοπικές περιοχές, συνήθως δημιουργούνται πλέγματα (δηλ. σε γεωγραφικό κάναβο) στοιχείων του πεδίου βαρύτητας, οι τιμές των οποίων αναφέρονται

• είτε στο ύψος της τροχιάς και εκφράζουν το βαρυτικό δυναμικό και τις δεύτερες παραγώγους του, οι οποίες αντιπροσωπεύουν έτσι τις πρωτογενείς πληροφορίες που παρέχουν οι μετρήσεις του δορυφόρου
• είτε μέσω μιας διαδικασίας καταβιβασμού (downward continuation) στην γήινη επιφάνεια, εκφράζοντας τα διαγώνια στοιχεία του τανυστή της κλίσης της βαρύτητας (gravity gradient tensor).

Σε τέτοιους κανάβους μπορούν εύκολα εύκολα να ενσωματωθούν άλλες εξωτερικά προερχόμενες πληροφορίες, όπως, για παράδειγμα, από άλλα ανεξάρτητα παγκόσμια μοντέλα του γήινου δυναμικού που βασίζονται σε δορυφορικά και/ή επίγεια δεδομένα βαρύτητας. Τα προϊόντα που προκύπτουν είτε από χρονικές λύσεις, είτε από άμεσες αριθμητικές λύσεις δεν ενσωματώνουν με οποιονδήποτε τρόπο επίγεια δεδομένα από μετρήσεις στη γήινη επιφάνεια ή δεδομένα από αέρος (π.χ. αερομεταφερόμενα βαρυτήμετρα).

Τα προϊόντα SPW από τις χωρικές επιλύσεις κάνουν επιπλέον χρήση και των δορυφορικών δεδομένων παρακολούθησης της τροχιάς του δορυφόρου, δηλαδή των μετρήσεων που προέρχονται από τον δέκτη GPS, καθώς επίσης και από τις βαθμίδες της βαρύτητας που μετρώνται από τα επιταχυνσιόμετρα του ηλεκτροστατικού βαθμιδόμετρου. Το μοντέλο EGM2008 του γήινου δυναμικού χρησιμοποιείται ως μοντέλο αναφοράς και για την εκτίμηση των σφαλμάτων των υπολογισμένων τιμών του γήινου δυναμικού κατά μήκος της τροχιάς, και συνεπώς αυτό επηρεάζει τους όρους χαμηλού βαθμού και τάξης στο μοντέλο των σφαιρικών αρμονικών συντελεστών που προκύπτει από την εκάστοτε χωρική λύση από τα δεδομένα του GOCE.

Γενικά, τα προϊόντα TIM, DIR και SPW, κατατάσσονται στα λεγόμενα προϊόντα επιπέδου 3 (Level 3 products). Οι δύο πρώτες εκδόσεις των εν λόγω λύσεων περιλαμβάνουν και τα τρία προϊόντα TIM, DIR και SPW. Στη τρίτη κατά σειρά έκδοση των αρμονικών μοντέλων του γήινου δυναμικού που έχουν κυκλοφορήσει, περιλαμβάνει μόνο τα μοντέλα σφαιρικών αρμονικών από τις λύσεις ΤΙΜ και DIR, ενώ το αντίστοιχο μοντέλο SPW αναμένεται ότι θα κυκλοφορήσει το συντομότερο, μόλις παραχθεί και επικυρωθεί η αντίστοιχη λύση από την αρμόδια επιστημονική ομάδα.

Ενδεικτικά τέτοια δεδομένα είναι διαθέσιμα στους ακόλουθους ιστοτόπους:

• EarthNet online - ESA Earth Observation data access - Ο κεντρικός ιστοχώρος της ESA, όπου η πρόσβαση στα δεδομένα GOCE είναι ανοικτή και δωρεάν, με μια απλή online εγγραφή, μέσω της ιστοσελίδας http://eopi.esa.int/registration.
• GOCE Virtual on-line Archive, όπου οι χρήστες μπορούν να κατεβάσουν άμεσα δεδομένα μέσω http, χωρίς την ανάγκη υποβολής παραγγελιών, μέσω της παρακάτω αναφερόμενης Υπηρεσίας EOLI-SA, η οποία προσφέρει περισσότερη ευελιξία και κατάλληλα εργαλεία για την επιλογή των δεδομένων.
• ESA Multi-Mission archive, EOLI-SA, όπου τα προϊόντα GOCE διατίθενται είτε ως μεμονωμένα προϊόντα, ή ως παγκόσμιας εμβέλειας προϊόντα (Global Products), αποτελούμενα το καθένα από μετρήσεις διάρκειας μίας εβδομάδας. Γενικά, δεν υπάρχουν περιορισμοί ως προς τον όγκο των δεδομένων που μπορεί να ανακτήσει ο χρήστης, αλλά οι παραγγελίες στο σύστημα πρόσβασης στα δεδομένα περιορίζεται με ανώτατο όριο τα 20 προϊόντα. Στην περίπτωση που ο χρήστης χρειάζεται μεγάλο αριθμό μεμονομένων προϊόντων συνίσταται να χρησιμοποιούνται τα παγκόσμιας εμβέλειας προϊόντα.
• GOCE portal, όπου αναφέρονται όλες οι λεπτομέρειες και επίκαιρες ειδήσεις για τη διαθεσιμότητα των ποικίλων δεδομένων GOCE.

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

• GO_CONS_GCF_2_DIR_R3: Από το συνδυασμό βαρυτικών δεδομένων GOCE και GRACE, και δεδομένων τροχιακών διαταραχών του δορυφόρου LAGEOS. Υβριδικό μοντέλο του γήινου δυναμικού με αρμονικούς συντελεστές μέχρι βαθμό και τάξη 240 (2011)
• GO_CONS_GCF_2_ΤΙΜ_R3: Βαρυτικό μοντέλο αποκλειστικά από δεδομένα GOCE με αρμονικούς συντελεστές μέχρι βαθμό και τάξη 250 (2011)
• 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 (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 (2011)
• GOCO02S: Από το συνδυασμό μόνο δορυφορικών βαρυτικών δεδομένων GRACE και GOCE με αρμονικούς συντελεστές μέχρι βαθμό και τάξη 250 (2011)
• GO_CONS_GCF_2_DIR_R2: Βαρυτικό μοντέλο αποκλειστικά από δεδομένα GOCE με αρμονικούς συντελεστές μέχρι βαθμό και τάξη 240 (2011)
• GO_CONS_GCF_2_TIM_R2: Βαρυτικό μοντέλο αποκλειστικά από δεδομένα GOCE με αρμονικούς συντελεστές μέχρι βαθμό και τάξη 250 (2011)
• GO_CONS_GCF_2_SPW_R2: Βαρυτικό μοντέλο αποκλειστικά από δεδομένα GOCE με αρμονικούς συντελεστές μέχρι βαθμό και τάξη 240 (2011)
• GO_CONS_GCF_2_DIR_R1: Βαρυτικό μοντέλο αποκλειστικά από δεδομένα GOCE με αρμονικούς συντελεστές μέχρι βαθμό και τάξη 240 (2010)
• GO_CONS_GCF_2_TIM_R1: Βαρυτικό μοντέλο αποκλειστικά από δεδομένα GOCE με αρμονικούς συντελεστές μέχρι βαθμό και τάξη 224 (2010)
• GO_CONS_GCF_2_SPW_R1: Βαρυτικό μοντέλο αποκλειστικά από δεδομένα GOCE με αρμονικούς συντελεστές μέχρι βαθμό και τάξη 210 (2010)
• GOCO01S: Από το συνδυασμό μόνο δορυφορικών βαρυτικών δεδομένων GRACE και GOCE με αρμονικούς συντελεστές μέχρι βαθμό και τάξη 224 (2010)

Εικόνα 9 - Το γεωειδές στην περιοχή του ελλαδικού χώρου από τα μοντέλα σφαιρικών αρμονικών: Επάνω, GO_CONS_GCF_2_DIR_R3 (αριστερά) και GO_CONS_GCF_2_TIM_R3 (δεξιά) και αντίστοιχα κάτω, EIGEN-6S (αριστερά) και EIGEN-6C (δεξιά).

Μετά από μόλις δύο χρόνια σε τροχιά, ο δορυφόρος GOCE έχει συγκεντρώσει αρκετά στοιχεία για τη βαρύτητα της Γης ώστε δώσει το ακριβέστερο μέχρι σήμερα μοντέλο του γεωειδούς που απεικονίζεται με απαράμιλλη ακρίβεια στον παραπλεύρως χάρτη. Τα πρόσθετα δεδομένα από κάθε νέο δίμηνο κύκλο λειτουργίας του, θα προσθέτουν στην ακρίβεια του γεωειδούς, του οποίου το μοντέλο αυτό θα γίνεται όλο και καλύτερο, οδηγώντας στην περαιτέρω κατανόηση του πώς λειτουργεί η Γη και παρέχοντας μια κρίσιμη επιφάνεια αναφοράς για τη μέτρηση της ωκεάνιας κυκλοφορίας και τις δυναμικές αλλαγές στους πάγους των αρκτικών περιοχών - που και τα δύο επηρεάζονται από την κλιματική αλλαγή.

Αξιοποιώντας τις μετρήσεις βαρύτητας του δορυφόρου GOCE, με τη δημιουργία του λεπτομερέστατου μοντέλου του γεωειδούς, επέτρεψε να υπολογιστούν με μεγαλύτερη λεπτομέρεια από κάθε άλλη φορά τις σχεδόν ανεπαίσθητες διαφορές στη βαρυτική έλξη που παρατηρούνται στα διαφορετικά σημεία του πλανήτη, ανάλογα με το αν αφορούν οροσειρές, πεδιάδες ή βαθιές θαλάσσιες τάφρους.

Η ικανότητα του δορυφόρου να ανιχνεύει και τις παραμικρές αυξομειώσεις του γήινου βαρυτικού πεδίου του επιτρέπει να «βλέπει» μέσα στη Γη με τρόπο που οι επιστημονικές αναλύσεις των δεδομένων του να επιτρέπουν ασφαλέστερα συμπεράσματα για την ανομοιογενή κατανομή της μάζας στο εσωτερικό του πλανήτη μας. Η ανομοιογένεια αυτή οφείλεται στη διαφορετική πυκνότητα των πετρωμάτων πάνω και κάτω από το λεγόμενο όριο ή σύνορο Μόχο (Moho), από τη συντόμευση του ονόματος του Κροάτη γεωφυσικού Άντρια Μοχορόβισιτς, ο οποίος πρώτος υπόδειξε την ύπαρξη του το 1909. Το σύνορο Μόχο, βρίσκεται σε βάθος 10 έως 70 χιλιομέτρων από την επιφάνεια της Γης και οριοθετεί την αρχή του μανδύα, προσδίδοντας ξεχωριστές ιδιότητες στα πετρώματά του σε σχέση με αυτά του φλοιού. Ο Κροάτης επιστήμονας είχε υποθέσει την ύπαρξη της συνοριακής αυτής ασυνέχειας μεταξύ φλοιού και μανδύα βασιζόμενος στην ξεχωριστή ταχύτητα των σεισμικών κυμάτων που παράγουν οι επιφανειακοί σεισμοί.

Ο φλοιός της Γης αποτελεί λιγότερο από το 1% του συνολικού όγκου του πλανήτη. Μέχρι σήμερα, όλες οι γνώσεις μας για τα βαθύτερα γεωλογικά στρώματα του μανδύα και του πυρήνα, δεν βασίζονται σε άμεση έρευνα και παρατήρηση, αλλά σε έμμεσες γνώσεις, που βασίζονται σε δύο βασικά «εργαλεία»: την ανάλυση κίνησης των σεισμικών κυμάτων και στις αλλαγές της βαρύτητας στο εσωτερικό της Γης. Ο φλοιός έχει μικρότερη γενικά πυκνότητα σε σχέση με τον υποκείμενο μανδύα και εφόσον η αλλαγή στην πυκνότητα αντανακλά την αλλαγή στην μάζα των πετρωμάτων, με τον τρόπο αυτό μπορεί να «χαρτογραφηθεί» το σύνορο Moho, κάτι που έχει γίνει με εξαιρετική επιτυχία από Ιταλούς ερευνητές του Πολυτεχνείου του Μιλάνου, με τη βοήθεια των δεδομένων του δορυφόρου GOCE.

Ο νέος παγκόσμιος «χάρτης» βασισμένος στα βαρυτικά δεδομένα του GOCE δείχνει, με υψηλή ανάλυση και λεπτομέρεια, ότι το βάθος του συνόρου Μόχο είναι μεγαλύτερο κάτω από τα μεγάλα βουνά και μικρότερο κάτω από τους ωκεανούς. Από γεωλογική άποψη, το σύνορο βρίσκεται εκεί όπου τα πιο γνώριμα επιφανειακά βασαλτικά και γρανιτικά πετρώματα παραχωρούν τη θέση τους στους λεγόμενους περιδοτίτες, οι οποίοι σπάνια φαίνονται πάνω στη Γη. Η καλύτερη μελέτη της συνοριακής ασυνέχειας Μόχο θα βοηθήσει στην καλύτερη κατανόηση της κίνησης των τεκτονικών πλακών και του τρόπου που τα επιφανειακά πετρώματα αργά ανακυκλώνονται στο εσωτερικό της Γης, προτού βγουν ξανά στην επιφάνεια. Επίσης ο νέος «χάρτης» μπορεί να βοηθήσει στις έρευνες για πετρέλαιο και φυσικό αέριο σε παγκόσμια κλίμακα.

Δεδομένου ότι ο δορυφόρος λειτούργησε άψογα σε μια περίοδο εξαιρετικής χαμηλής ηλιακής δραστηριότητας, ο GOCE ήταν, μέχρι σήμερα, σε θέση να μείνει σε χαμηλή τροχιά και να επιτύχει την κάλυψη ολόκληρου του πλανήτη με εξαιρετικής ποιότητας μετρήσεις της βαρύτητας σε έξι εβδομάδες πριν από το προγραμματισμένο χρονοδιάγραμμα του. Αυτό σημαίνει επίσης ότι ο δορυφόρος έχει ακόμη αρκετά διαθέσιμα καύσιμα ώστε να συνεχίσει τις μετρήσεις του μέχρι το τέλος του 2012, διπλασιάζοντας έτσι τη ζωή της αποστολής και προσθέτοντας ακόμα μεγαλύτερη ακρίβεια στο μοντέλο του γεωειδούς που παρέχουν τα δεδομένα του.

Βιβλιογραφία

1. The GOCE Gravity Mission: ESA'S First Core Earth Explorer
2. ESA Future Missions
3. GOCE - Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer
4. GOCE Instrument Positioning
5. GOCE Level 1 Product Data Handbook
6. GOCE Level 2 Product Data Handbook
7. GOCE Virtual Archive
8. The GOCE Newsletters