Екатерина Шульман
о новой роли
российского парламента

GOCE отсканирует земную g

Запущен космический аппарат GOCE

Артём Тунцов 17.03.2009, 17:53
esa.int

На околоземную орбиту отправился космический аппарат GOCE. Самый совершенный, элегантный и жёсткий геодезический прибор выяснит, как текут океаны, что таят земные пустоты и насколько тают ледовые шапки, а также определит «нуль-пункт» отсчёта высот на Земле с точностью 2–3 см.

Во вторник в 17.21 по московскому времени с космодрома Плесецк стартовала ракета-носитель «Рокот», под обтекателем которой расположен самый совершенный – и, возможно, самый элегантный – спутник для изучения гравитационного поля Земли. После двух с лишним лет плюс ровно одних суток задержки европейский космический аппарат GOCE (Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer, «Исследователь гравитационного поля и стационарной циркуляции океана) отправился на орбиту.

Через несколько минут после зажигания главных двигателей «Рокота» была сброшена защитная оболочка спутника и разгонного блока «Бриз-КМ», а ещё через 10 минут «Бриз» дал спутнику первый импульс, который, по сути, и определил его орбиту. Примерно через полтора часа, когда GOCE завершил свой первый оборот вокруг Земли, «Бриз-КМ» включился ещё раз – чтобы сориентировать спутник и мягко оттолкнуть его в свободное плавание. Здесь стало ясно, что всё прошло успешно. В этот момент GOCE был уже не над Россией, а над территорией ЕС – Земля за время орбитального оборота спутника успела чуть провернуться на восток.

Где же этот геоид

Основная задача GOCE (по-английски его название произносят как «гочи», хотя на этот счёт у разноязыкой Европы, разумеется, есть множество мнений) – точнейшее измерение гравитационного поля Земли. Величину ускорения свободного падения g он должен чувствовать с точностью около 0,01 мм/с2, то есть 0,0001% от его среднего значения в 9,8 м/с2.

У этой, на первый взгляд, фундаментальной гравиметрической задачи есть немало совершенно конкретных приложений.

Начать хотя бы с топографии. Когда мы слышим, что высота, скажем, Москвы над уровнем моря составляет около 150 метров, мало кто представляет себе, что это за такой «уровень моря» и как его измерить. Геодезисты, которые одни только и знают ответ на этот вопрос, измеряют высоты, в конечном счёте, с помощью отвеса, разрисовывая карту изолиниями – линиями равных высот.

Однако отвесная линия не смотрит точно в центр Земли и не проходит точно перпендикулярно какой-то простой поверхности, будь то сфера или эллипсоид, даже если это эллипсоид Красовского. Положение отвесной линии определяют и центробежная сила, и неоднородности в распределении вещества в теле нашей планеты. Отвес всегда будет едва заметно отклоняться в сторону тяжёлых гор и даже крупнейших зданий, а также немного флуктуировать из-за неоднородностей вращения Земли.

Сейчас точность определения геоида оценивают величиной примерно вдвое большей, хотя надо понимать, что посчитать точность «нуль-пункта», от которого всё, собственно и отсчитывается – задача не из лёгких. Эти оценки, в основном, базируются на сравнении геодезических данных о высоте с результатами её измерения по спутникам системы GPS. Однако, как ни крути, это сравнение жёлтого с горьким: результаты геодезических измерений локальны, а модель движения спутников GPS – глобальна. Именно поэтому учёные так жаждут увидеть данные глобального геодезического обзора GOCE.

Та поверхность, которой перпендикулярен отвес, называется уровневой поверхностью, а одну из них – «самую главную» или условную, смотря как считать – зовут геоидом. Именно от него отсчитывают высоты, и именно его форму должен будет определить GOCE – с поправкой на вращение планеты, в котором спутник почти не участвует.

После номинальных полутора лет работы на орбите геоид должен быть известен с точностью около 2–3 см на сетке координат с разрешением около 100 км.

Только определив форму геоида, учёные могут привязать к этой поверхности результаты лазерного зондирования поверхности Земли, и только тогда можно будет утверждать, что карта высот гор и долин нашей планеты имеет какой-то смысл.

А карта высот океана – реальный уровень воды над идеальным «уровнем моря» – позволит определить среднюю картину течений в мировом океане. Настоящая вода обладает и вязкостью, и инерцией, из-за которых на поверхности океана появляются «горбы» и «впадины», распределение которых зависит от реального перемещения водных масс.

GOCE сможет найти и намёки на залежи полезных и не очень ископаемых, а также определить структуру плотности земной коры и мантии. Впрочем, не стоит считать его средством геологоразведки: с разрешением в 100 километров он не сможет особо помочь в поисках новых месторождений угля, нефти или алюминия.

Без лишних движений

«Сердце» GOCE чем-то напоминает противотанкового «ежа». Это три пары очень точных акселерометров (приборов для измерения ускорения), расположенных по трём перпендикулярным направлениям на расстоянии по 50 см в паре. GOCE – первый спутник глобального наблюдения за планетой, который будет измерять перепад силы тяжести между разными точками космического аппарата.

У GOCE нет ни единой движущейся части.

А шесть акселерометров закреплены так жёстко, что всякое ускорение, одинаковое для всех шести приборов, означает действие силы на аппарат в целом, разница между ними – это как раз искомые неоднородности гравитационного поля Земли.

GOCE будет постоянно измерять шесть величин – показания шести акселерометров, из которых тут же будут высчитываться значения ускорения свободного падения и компоненты тензора приливного поля. Форма геоида на картинке слева сильно преувеличена. //ESA
GOCE будет постоянно измерять шесть величин – показания шести акселерометров, из которых тут же будут высчитываться значения ускорения свободного падения и компоненты тензора приливного поля. Форма геоида на картинке слева сильно преувеличена. //ESA

Поскольку неоднородности эти с удалением от их источника – будь то горная система, океаническая впадина или ледяная шапка – быстро убывают, GOCE будет двигаться по очень низкой для спутников такого класса орбите, на высоте чуть больше 250 км над геоидом. На такой высоте аппарат будет чувствовать сопротивление, пусть и очень разреженной, но всё-таки присутствующей атмосферы нашей планеты, и именно желание максимально снизить это трение привело к такому элегантному дизайну GOCE. Поперечное сечение аппарата – всего 1 квадратный метр, при том, что его длина – около пяти метров.


В корме спутника установлен ионный двигатель, который будет компенсировать атмосферное торможение реактивной силой, возникающей при выбросе наружу ионов ксенона. Делается это ради того, чтобы продлить спутнику жизнь, а не для какого-то «увеличения точности измерений» – система вполне способна почувствовать влияние атмосферы, и именно сигналы с акселерометров будут управлять работой ионного двигателя.

Всё время на свету

Аппарат чувствует даже силу давления солнечного света. Всякий раз, как он будет исчезать в тени Земли, акселерометры зафиксируют лёгкий «толчок». Чтобы минимизировать эти толчки, GOCE выведен на солнечно-синхронную орбиту. Одна его сторона постоянно обращена к Солнцу, другая – всё время смотрит в противоположную сторону. При этом теневая сторона работает, как холодильник – с неё излучается лишнее тепло, а солнечная нагревается до огромных температур, в которых приходится работать солнечным батареям.

Более того, они должны выдерживать и значительное охлаждение – в течение 135 дней с апреля по август на спутнике, несмотря на всю «солнечно-синхронность» его орбиты, на каждом витке вокруг Земли будут случаться получасовые затмения, в продолжение которых он вынужден будет питаться от аккумуляторов. Зато в оставшиеся 230 дней спутник будет купаться в солнечных лучах постоянно. Это связано с особенностями запуска с северного космодрома.


Интересно, что если бы старт состоялся в утренние, а не вечерние часы, период затмений переместился бы на зимние месяцы – с октября по февраль. В любом случае ближайшие месяцы космический аппарат должен потратить на тестирование и калибровку своей аппаратуры, а данные начнёт собирать лишь в августе — сентябре.