• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  • Att hålla reda på rymdskepp när jordens vatten förändrar dess snurr

    Simulerade högupplösta havsströmmar som förväntat av ESA:s Earth Explorer 9-kandidat SKIM-uppdrag. Satelliten skulle bära en ny multistråle-radarhöjdmätare för att mäta havsströmmar. Unikt, den använder en Doppler-teknik, som erbjuder mer direkta mätningar än konventionella satellithöjdmätare. Dessa nya mätningar skulle förbättra vår förståelse av vertikal och horisontell dynamik mellan hav och yta över det globala havet med några dagars mellanrum. Detta skulle leda till bättre kunskap om hur havet och atmosfären samverkar – t.ex. hur atmosfärisk koldioxid dras ner i havet. Kredit:ESA

    Massan omfördelas ständigt runt vår planet, som jordens atmosfär, oceaner och andra vattenförekomster på och under ytan smälter, skifta och rör om. Denna massomfördelning förändrar jordens tyngdpunkt, vilket i sin tur snabbar upp och saktar ner planetens snurr – och så dagens längd – samt ändrar orienteringen av dess spinnaxel. Dessa förändringar av jordens rotation och orientering sker under relativt korta tidsskalor av dagar och veckor, och hotar kommunikationen mellan markstationer och uppdrag i omloppsbana och över solsystemet.

    ESA arbetar på sin egen algoritm för att förutsäga jordens orientering med extrem noggrannhet. Tidiga tester visar att den nya ESA-algoritmen överträffar de som används idag från externa leverantörer, markerar ett viktigt steg för att säkerställa Europas oberoende tillgång till rymden.

    Krafterna som spelar, ändrar dagen

    Externa gravitationskrafter, främst från solen och månen, agerar ständigt och förutsägbart på vår planet. Medan solens enorma gravitation håller jorden i omloppsbana, månens milda ryck har, under miljarder år, saktade ganska dramatiskt dess spin, öka längden på en dag på jorden.

    När jorden först bildades, en dag var någonstans mellan sex och åtta timmar lång och ett år skulle ha bestått av mer än 1000 soluppgångar och solnedgångar.

    Närmare hemmet, det finns krafter i spel som har mycket snabbare och oförutsägbara effekter. Jordbävningar, atmosfäriska vindar, havsströmmar, och anmärkningsvärt till och med mänsklig aktivitet i sig, alla agerar ofta och oförutsägbart för att omfördela massa runt planeten, ändra hastigheten på jordens spinn och orienteringen av dess spinnaxel.

    Bevarande av momentum

    "Bevarande av vinkelmomentum" är en fysiklag som förklarar varför en konståkare snurrar med armarna ut, kan plötsligt få fart på sig själv genom att dra in armarna mot hennes kropp.

    Ett sällan skådat fenomen:jordens atmosfär böjer ljuset från fullmånen och komprimerar det därigenom. Kredit:NASA

    Jordens spinn påverkas också av viktfördelningen runt planeten. Jordbävningar, anmärkningsvärt, påskynda rotationen av vår planet på ett ögonblick, genom att omordna materia genom skorpan och den övre manteln, ökar på ett litet men inte obetydligt sätt dagens längd.

    Under 2011, en jordbävning med magnituden 9,0 drabbade Japan som tragiskt nog tog tusentals liv och skapade otaliga skador. Varar i sex minuter, den förkortade också dygnets längd med 1,8 mikrosekunder (en mikrosekund =en miljondels sekund) och flyttade positionen för jordens "figuraxel" – en imaginär linje runt vilken världens massa är balanserad – med cirka 17 cm. (Figuraxeln är jordens massbalansaxel, medan spinnaxeln vinglar runt den.)

    Mycket större effekter pågår också orsakade av atmosfäriska vindar och havsströmmar, samt smältningen av glaciärer och istäcken. När is smälter eller bryter av i havet, havsnivån stiger och jordens massa omfördelas så att den är närmare denna centrala axel, förkorta dagens längd.

    Sådana förändringar är inget att oroa sig för, omärkbar för våra dagliga liv. Men när det gäller att flyga rymdfarkoster över rymden, eller hålla sig synkroniserade med satelliter i omloppsbana, dessa små förändringar kan betyda skillnaden mellan att hitta och förlora ditt uppdrag.

    Håller fast vid ESA-uppdrag

    För att flyga ESA-uppdrag, Byrån är beroende av vad som kallas Earth Orientation Parametrar (EOPs), som beskriver oegentligheterna i planetens rotation. Om du inte känner dem, du har ett verkligt problem.

    "Våra markstationer är i kommunikation med interplanetära rymdfarkoster miljontals kilometer bort. De måste pekas med extrem noggrannhet för att rikta in sig på dessa relativt små objekt, " förklarar Werner Enderle, Chef för ESA:s navigeringsstödkontor baserat på byråns ESOC Operations Center i Darmstadt, Tyskland.

    "En grad på jorden motsvarar tusentals kilometer i rymden, så om du inte har korrekta värden för jordens orientering, du kan vara borta långt."

    Att få dessa parametrar kräver en enorm mängd arbete med att analysera de kumulativa effekterna av vädret, klimatförändringar och geologisk aktivitet. Eftersom dessa system är så komplexa, vi kan för närvarande beräkna förändringarna i jordens orientering på relativt korta tidsskalor, veckor och månader framåt.

    En karta över terrängförskjutningen baserad på Envisat Advanced Synthetic Aperture Radar över jordbävningarna som drabbade Japan med början den 11 mars 2011. Kartan är härledd från ett interferogram som genererats av INGV med hjälp av data som förvärvades den 19 februari och 21 mars 2011 på spår 347. kartan visar en stor del av ytförskjutningsfältet. Den maximala förskjutningen längs siktlinjen (för satelliten) når cirka 2,5 m i förhållande till en referenspunkt inom hela ramremsan som ligger nära den södra gränsen. Kredit:Baserat på ESA-data -The Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (S. Stamondo, M. Chini och C. Bignami)

    ESA bestämmer jordens orientering

    För närvarande, dessa vitala parametrar tillhandahålls av United States Naval Observatory (UNSO), baserat på bidrag från institutioner runt om i världen inklusive ESA. Dock, ESA arbetar med att bestämma sina egna EOP-värden, säkerställa Europas oberoende tillgång till rymden och ta bort beroendet av en extern leverantör. Dessa orienteringsvärden, beräknas av ett team på Navigation Support Office, kommer att göras fritt tillgänglig runt hösten i år.

    Verktyget uppskattar och förutsäger jordens orientering och rotation upp till 90 dagar i förväg med hjälp av rymdbaserade mätningar från globala satellitnavigeringssystem (GNSS) och satellitlaser som sträcker sig bland annat, ett område där kontoret har stor kompetens.

    "Vår algoritm använder atmosfäriska och väderförhållanden, seismisk aktivitet, hastigheten med vilken havsnivån stiger och jordens is smälter och en mängd andra variabler, som alla samverkar på komplexa och svårförutsägbara sätt, " förklarar Erik Schoenemann, Navigationsingenjör på ESOC som leder projektet.

    "Det är lätt att ta dessa värderingar för givna, men all rymdfärdsaktivitet är beroende av dem och en enorm mängd arbete går åt för att få dem. Vi är verkligen glada över att nu ha vår egen källa till denna data, säkra vår förmåga att utföra komplexa uppdrag i olika omloppsbanor och att ta emot den otroliga data de skickar hem."

    Än så länge, tidiga tester visar att den nya ESA-algoritmen avsevärt överträffar de som för närvarande används, markerar ett viktigt steg för att säkerställa Europas oberoende tillgång till rymden.


    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com