GOCE отсканирует земную g

Запущен космический аппарат GOCE

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.

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.

врез №
skin: article/incut(default)
data:

{
    "_essence": "test",
    "incutNum": 2,
    "pic_fsize": "85793",
    "picsrc": "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",
    "repl": "<2>:{{incut2()}}",
    "uid": "_uid_2959291_i_2"
}

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.

Помогут GPS и лазер

Помимо акселерометров, измерить особенности гравитационного поля Земли позволят точные наблюдения за орбитой самого спутника. В конце концов, каждый аппарат на орбите – это всего лишь «пробное тело», а определять закон изменения силы тяжести по движению пробных тел учёные умеют со времён Ньютона.

Чтобы точно определять своё положение, GOCE будет без перерыва принимать сигналы спутников системы GPS. Благо, искусственные ограничения на точность этих сигналов, существовавшие со времён холодной войны, американцы недавно сняли, пообещав возвращать их только на время серьёзных вооружённых конфликтов. У учёных появилась дополнительная причина надеяться, что США не будут ввязываться ни в какую войну в ближайшие годы.

Тем временем, с Земли GOCE будут то и дело подсвечивать лазером и ловить отражённый «зайчик»: по времени распространения лазерного луча туда и обратно можно очень точно определить расстояние до космического аппарата. Правда, этот способ определения координат аппарата всё-таки рассматривается, как экспериментальный и дополнительный.

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.