Krążące nad nami sztuczne satelity Ziemi służą m.in. do celów meteorologicznych, geodezyjnych czy rolniczych. Umożliwiają obserwację cyrkulacji i zasolenia wody w oceanach, przesyłanie sygnału TV i internetowego oraz korzystanie z nawigacji GPS. I tak np. misja GRACE mierzy anomalie grawitacji ziemskiej.

Zmienność długości doby

Dwa bliźniacze satelity GRACE, oddalone od siebie o 220 km, wystrzelono wiosną 2002 r. na orbitę okołobiegunową. Satelity poruszały się w stałej odległości, dopóki nie trafiły na anomalię grawitacyjną. To właśnie zmiana odległości w ich wzajemnym położeniu pozwala ustalić mapę anomalii grawitacji naszej planety. Wynikają one z różnego rozkładu mas na powierzchni Ziemi oraz pod nią, w tym ruchu mas wodnych i lodowych. Misja GRACE pozwoliła na ustalenie wpływu cyrkulacji oceanów na pole grawitacyjne, a także na określenie zmiany masy lodowej, która topniejąc, zmienia poziom morza.

Obecnie „pracę” GRACE kontynuuje para GRACE Follow-On wyniesiona na orbitę w 2018 r. Następcy dokonują pomiaru Ziemi i dostarczają danych – z których korzystają geofizycy, oceanografowie, hydrolodzy i glacjolodzy – m.in. o tym, jak topnieją lodowce na Grenlandii i Antarktydzie, a także co dzieje się z wodami gruntowymi. – Globalne nawigacyjne systemy satelitarne (GNSS), takie jak amerykański GPS czy europejski Galileo, pozwalają bardzo dokładnie wyznaczyć zmienność długości doby oraz drgań bieguna ziemskiego. Satelity nawigacyjne poruszają się stosunkowo wysoko – ponad 20 tys. km nad Ziemią, dzięki czemu ich ruch jest w miarę stabilny i przewidywalny z dużą dokładnością – mówi prof. Krzysztof Sośnica z Instytutu Geodezji i Geoinformatyki na Uniwersytecie Przyrodniczym we Wrocławiu, członek Naukowego Komitetu Doradczego ds. GNSS w Europejskiej Agencji Kosmicznej i przewodniczący Podkomisji ds. Koordynacji Technik Kosmicznych „Coordination of Space Techniques” w Międzynarodowej Asocjacji Geodezji.

Okazuje się, że długość doby każdego dnia różni się o kilka milisekund. Związane jest to z procesami zachodzącymi na powierzchni Ziemi oraz w jej wnętrzu. Chodzi o pływy oceaniczne, rozkład ciśnienia atmosferycznego, wiatry oraz zmienny kształt Ziemi – efekt topnienia lodowców i wypiętrzania się skorupy, ruch wirowy jądra Ziemi czy też stopniowe oddalanie się Księżyca od Ziemi. Z kolei na drgania bieguna wpływają procesy zachodzące w atmosferze i oceanach oraz elastyczność Ziemi, która pozwala na zmiany w jej spłaszczeniu.

Anomalie w ruchu obrotowym

Na podstawie ruchu satelitów można określić położenie środka Ziemi i jego przemieszczania się, gdyż satelity naturalnie obiegają środek masy całej planety. Przez obserwację odchylenia w ruchu satelitów bądź też odległości między satelitami – jak ma to miejsce w przypadku misji GRACE – można z kolei wyznaczyć kształt Ziemi oraz zmiany jej spłaszczenia. – Na bazie obserwacji zmiany pola grawitacyjnego Ziemi można opisać przemieszczanie się mas w systemie ziemskim, w tym zmiany w wodach lądowych, pokrywie lodowej, oceanach i atmosferze – podkreśla prof. Sośnica.

Badania pozwalają ekspertom zauważyć korelacje między zmianami w polu grawitacyjnym zachodzącymi w systemie ziemskim z obrotem całej planety. Z kolei zmiany w grawitacji (w kształcie Ziemi) mają wpływ na to, jak obraca się planeta. – Dzięki porównaniu czasu rejestrowanego przez zegary atomowe z obserwacjami ruchu obrotowego Ziemi odkryliśmy, że w 2022 r. Ziemia obracała się najszybciej od momentu rozpoczęcia pomiarów. 29 czerwca 2022 r. pełen obrót Ziemi wokół własnej osi trwał o średnio 1593 µs krócej niż 24 h (1000 µs = 50 cm na równiku) – podaje naukowiec. Czyli Ziemia w ciągu 24 godzin obróciła się o 80 cm na równiku za dużo.

W celu zrównania czasu atomowego z obrotami Ziemi kiedyś wprowadzało się tzw. sekundy przestępne do tzw. czasu koordynowanego, który jest podstawą czasu urzędowego w większości krajów na świecie. Od 1972 r. wprowadzono łącznie 27 sekund przestępnych, gdyż Ziemia obracała się wolniej, niż wskazywały zegary atomowe. Ostatnia sekunda przestępna została wprowadzona na przełomie 2016 i 2017 r. i wygląda na to, że więcej sekund przestępnych nie będzie trzeba wprowadzać, gdyż obrót Ziemi przyspieszył i zrównał się z odczytami z zegarów atomowych. Niektóre przewidywania wskazywały, że będzie trzeba wprowadzić nawet ujemną sekundę przestępną, jednak najnowsze dane mówią, że przez kilka kolejnych lat nie będzie takiej potrzeby.

Projekt EAGLE, którym kieruje prof. Sośnica, wyjaśnia przyczyny anomalii zachodzących w ruchu obrotowym Ziemi, łącząc je ze zmianami, które zachodzą w lodowcach, oceanach, atmosferze, skorupie ziemskiej oraz pod powierzchnią Ziemi. Dane satelitarne pozwalają zaś na uzyskanie informacji o zmianach klimatu oraz o ich przyczynach i powiązaniu różnych procesów zachodzących na powierzchni lądów, nad nią oraz pod nią.

Zmiany w kształcie Ziemi

Naukowcy z Wrocławia oraz Uniwersytetu w Bernie postanowili oszacować zmiany mas na Ziemi przed początkiem misji GRACE, a także uzupełnić brakujące dane między GRACE i GRACE Follow-On. Do tego celu wykorzystali inne misje satelitarne, zwłaszcza satelity kuliste orbitujące wokół Ziemi już od lat 70. XX wieku. – Na podstawie laserowych odległości do satelitów udało się wyznaczyć zmiany orbity. Następnie ustaliliśmy, jakie siły musiały zadziałać, aby zmienić orbitę satelity przed przelotem nad obszarami okołobiegunowymi oraz po nim. Siły działające na satelitę związane są z masą Ziemi, czyli ze zmianami w jej kształcie. Przeliczyliśmy zmiany kształtu Ziemi na masę lodu – tłumaczy prof. Sośnica. – Tak opracowaliśmy metodę odzyskiwania zmiennego w czasie pola grawitacyjnego, również w obszarach polarnych, obserwując, co się działo z satelitami przed oraz po tym, jak przelatywały nad biegunami – tłumaczy rozmówca Niedzieli.

Aby zwiększyć precyzję pomiarów, wykorzystano „pamięć” nawet dziewięciu satelitów jednocześnie. W ten sposób, bez prowadzenia bezpośrednich obserwacji satelitów nad biegunami, udało się wyznaczyć zmiany pokrywy lodowej na Grenlandii i Antarktydzie w latach 1995 – 2021. Uzyskane wyniki budzą grozę: aż 6 tys. t lodu ubywa z Grenlandii co sekundę! Każdego roku zatem topnieje tam średnio 190 gigaton, czyli miliardów ton lodu. Woda spływająca z Grenlandii do północnego Atlantyku zaburza cyrkulację wody i atmosfery, a także ruch całej planety. Jest to jedna z przyczyn fal upału i innych zawirowań klimatycznych w Europie w ostatnich latach. – Dlatego od początku XXI wieku obserwujemy, że Ziemia staje się coraz bardziej spłaszczona. Lodowce na biegunach topnieją i zasilają swoimi wodami oceany, które podnoszą swój poziom w okolicach równika. Zmiany kształtu Ziemi powodują ciągłe zmiany w polu grawitacyjnym, w spłaszczeniu oraz przemieszczaniu się środka planety (tzw. geocentrum), a także jej bieguna. Nie jest to bez znaczenia również dla zmian zachodzących w ruchu obrotowym oraz w satelitach orbitujących wokół Ziemi – wskazuje naukowiec.