Družicová gravimetrie
Měření a určování gravitačního pole planet z oběžné dráhy se věnuje obor družicová gravimetrie v rámci technik pozorování Země (Earth observation). Nejstarší metodou určování zemského gravitačního pole pomocí umělých družic je na základě přesného pozorování dráhy družice. Česko(slovensko) má v této metodě jeden zajímavý světový primát, neboť prof. Emil Buchar v roce 1958 jako první na světě určil (publikoval) “gravitační” zploštění Země analýzou dráhy Sputniku 2. V současnosti se družicová gravimetrie realizuje různými technikami, kterým se v Astronomickém ústavu AV ČR dlouhodobě věnujeme.
Gravitační pole Země je utvářeno jak gravitačním působením všech hmot na Zemi, tak hmotami mimo naši planetu (vliv Měsíce, Slunce a velkých planet). Kromě přímého účinku jiných těles je jejich vliv také nepřímý - Země se díky nim fyzicky deformuje a hmoty se ní rovněž přesouvají, což dohromady mění celkové gravitační pole na Zemi. Obvykle proto rozlišujeme gravitační pole statické (nemění se v čase - např. pole generované rozložením zemských hmot od jádra po povrch Země) a časově proměnné gravitační pole, které vzniká přesunem velkých vodních hmot (příliv a odliv, déšť vs. sucho, sezónní změny sněhové pokrývky, tání ledovců atd.), zemětřesením nebo i zvedáním zemské kůry po odlednění Kanady a Skandinávie.
Obr. 1 Časově proměnné gravitační pole v rozpětí 5 let jako ekvivalentní vrstva vody z dat mise GRACE-FO
(zobrazeny pouze sezónní změny)
Zatímco význam statického gravitačního pole je zejména při tvorbě referenčních systémů (výškových systém), sledováním časově proměnného gravitačního pole získáváme nezávislý přístup k mnoha jevům včetně těch spojených s globálními změnami. Světová meteorologická organizace WMO (https://public.wmo.int/en/) definuje 54 klíčových klimatických proměnných, což jsou fyzikální, chemické a biologické veličiny či skupiny veličin kriticky přispívající do popisu zemského klimatu. Družicová gravimetrie významně přispívá do proměnné Total Water Storage, protože má prostřednictvím gravitačního účinku přístup ke všem hmotám. Na obrázku 1 vidíme změnu gravitačního pole zaznamenanou od roku 2018 pomocí družicové mise GRACE-FO jako tzv. ekvivalentní výšku (vrstvu) vody (jde o přepočet gravitačního signálu na objem vody na povrchu Země)
V současné době pracujeme s daty družicových misí
- GRACE (US-GER, 2002-2017)
- Swarm (ESA, 2013-)
- GRACE-FO (US-GER, 2018-)
A ve výhledu jsou mise
- GRACE-C (US-GER, od 2028)
- MAGIC (ESA-NASA, 2030+)
Obr. 2 Schéma SST technik družicové gravimetrie.
Na obrázku 2 vidíme schéma technik Satellite-to-Satellite Tracking (SST, měření mezi družicemi), které se realizují u misí Swarm a GRACE(-FO) a budou i u plánovaných misí GRACE-C(GFZ+NASA) a NGGM(ESA). Pokud probíhá měření mezi nízkoletící a vysokoletící družicí (např. GNSS), hovoříme o High-Low módu (tedy SST-HL), a pokud se podstatné měření uskutečňuje mezi nízko letícími družicemi, hovoříme o Low-Low módu (tedy SST-LL).
Detaily zemského gravitačního pole se rychle ztrácejí s rostoucí vzdáleností od Země, proto se gravimetrické družice umisťují na nízkou oběžnou dráhu (tzv. Low-Earth Orbit - LEO, výška 200-2000 km nad povrchem Země). V rámci tématu družicové gravimetrie se proto budeme věnovat i analýze drah, fyzice prostředí na LEO a problému kosmického smetí, který je nejpalčivější právě u nízkých drah. LEO je pro řadu kosmických aplikací nejdostupnější (nízké náklady na vynesení družic a nízká latence signálu), a proto jsou nízké oběžné dráhy v současnosti masivně družicemi využívány.
Ing. Josef Sebera, Ph.D.
Astronomický ústav AV ČR
e-mail: josef.sebera(at)asu.cas.cz
