Lodowce pod obserwacją, czyli laserowy powrót do przeszłości

• Wrocławianie postanowili odtworzyć, jak zmieniało się pole grawitacyjne Ziemi
• Nowatorska metoda jest oparta na obserwacji anomalii w ruchu sztucznych satelitów oraz na „pamięci orbity”
• Masa lodowa na obszarach polarnych była stabilna do lat 90. XX wieku
• Kształt Ziemi wciąż się zmienia ze względu na procesy geologiczne i hydrologiczne
• Filip Gałdyn ze Szkoły Doktorskiej UPWr łączy dane z techniki SLR z danymi z misji GRACE
• Wrocławski zespół jest zaangażowany w kolejne projekty satelitarne

Geodeci z UPWr opracowali metodę, która pozwala zmierzyć, w jakim stopniu ubywa lodu w głębi Grenlandii i na Antarktydzie. – To poważny problem, związany z ociepleniem klimatu, a na tych trudno dostępnych, polarnych obszarach nie można zainstalować aparatury pomiarowej, więc nie było tam obserwacji. Tym bardziej potrzebne są inne sposoby monitorowania topnienia lodowców – mówi prof. Krzysztof Sośnica z Instytutu Geodezji i Geoinformatyki, współautor artykułu „Długotrwałe zmiany masy lodowej na Grenlandii i Antarktydzie wyznaczone za pomocą laserowych pomiarów odległości do satelitów” w prestiżowym piśmie „Remote Sensing of Environment”.  Publikacja jest efektem wspólnych badań z naukowcami z Uniwersytetu w Bernie.

Misja GRACE: bliźniaki na orbicie

Nad naszymi głowami stale krążą setki tysięcy sztucznych satelitów Ziemi. Służą do celów meteorologicznych, geodezyjnych, rolniczych, pozwalają na obserwację cyrkulacji i zasolenia wody w oceanach, na przesyłanie sygnału TV i internetowego czy korzystanie z nawigacji GPS. O tym, co dzieje się z Ziemią w ostatnich latach, wiemy m.in. dzięki GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment). To amerykańsko-niemiecka misja satelitarna, która mierzy anomalie grawitacji ziemskiej. Naukowcy NASA i German Aerospace Center zbierają i analizują dane, które są o wiele bardziej dokładne od wcześniejszych.

– Nie mieliśmy wcześniej odpowiednich możliwości technicznych, które pozwalałyby na tak precyzyjne pomiary – mówi prof. Sośnica.

Dwa bliźniacze satelity GRACE wystrzelono wiosną 2002 roku na orbitę okołobiegunową, oddalone od siebie o 220 kilometrów. Okrążając Ziemię, kilkanaście razy na dobę, jednocześnie mierzyły odległości między sobą, z dokładnością rzędu 10 mikrometrów.

– To tyle, co jedna dziesiąta grubości ludzkiego włosa – dodaje profesor.

Satelity poruszały się w stałej odległości, dopóki nie trafiły na anomalię grawitacyjną. Powodowała ją na przykład większa masa. Jeśli satelita A przelatywał nad taką nierównością w kształcie Ziemi, był silniej przyciągany i spowalniał. Wraz z nim spowalniał także satelita B, ale później. Zmiana odległości we wzajemnym położeniu bliźniaków, zmierzona mikrofalowo, pozwala ustalić mapę anomalii grawitacji naszej planety. Wynikają one z różnego rozkładu masy na powierzchni Ziemi, w tym ruchu mas wodnych i lodowych. Pozwala to na ustalenie wpływu cyrkulacji oceanów na pole grawitacyjne, a także na ustalenie zmiany masy lodowej, która topniejąc zmienia poziom morza.

GRACE zakończyła swoje zadanie: pierwszy satelita spłonął w atmosferze ziemskiej w 2017 roku, drugi rok później.

– Niektóre satelity płoną, inne przesuwa się na orbitę cmentarną, gdzie nie ma kolizji z innymi satelitami. Orbitują bezwładnie, a kiedy skończy się paliwo, zostają poza kontrolą, jako śmieć kosmiczny. Niestety, przestrzeń kosmiczna jest przez nas coraz bardziej zaśmiecana i nie ma skutecznych metod, aby te nieaktywne satelity, części rakiet czy odłamki eliminować – wyjaśnia geodeta.

Kontynuatorką GRACE jest bliźniacza para GRACE Follow-On wyniesiona na orbitę w 2018, rok po „kosmicznej śmierci” poprzedniczki. Krąży nad nami do dziś, wciąż mierząc Ziemię i dostarczając dane, z których korzystają geofizycy, oceanografowie, hydrolodzy i glacjolodzy. Co jednak działo się z Ziemią przed 2002 rokiem, zanim pierwsza GRACE trafiła na orbitę? I jak zdobyć brakujące dane z rocznej przerwy pomiędzy GRACE a GRACE Follow-On oraz w okresach sezonów zaćmieniowych satelitów GRACE? Wrocławianie i Szwajcarzy postanowili cofnąć się w czasie i odtworzyć, co wcześniej działo się z kształtem Ziemi, z jej polem grawitacyjnym i zmianą mas.

Laserowe impulsy w tę i z powrotem

W tej podróży w czasie wykorzystali laserowe pomiary odległości do satelitów (Satellite Laser Ranging; SLR), w szczególności do takich jak LAGEOS, Starlette, Stella, LARES i Ajisai. To geodezyjne satelity orbitujące wokół planety, najstarsze od połowy lat 70. Są kuliste, o promieniu od 12 do 110 centymetrów, pokryte pryzmatami ze specjalnego szkła kwarcowego.

– Dzięki temu odbijają światło lasera w tym samym kierunku, z którego została wysłana wiązka światła. Pozwala to ustalić ich położenie dalmierzami laserowymi – wyjaśnia Filip Gałdyn ze Szkoły Doktorskiej UPWr, pierwszy autor artykułu. Światło pochodzi z obserwatorium wyposażonego w dalmierze laserowe. Stacja wysyła do satelity impuls laserem, który odbija się od niego i wraca do stacji. To pozwala wyznaczyć odległość między satelitą a stacją laserową, a tym samym zmierzyć kształt Ziemi.

Na świecie jest tylko 20 działających stacji laserowych, w tym jedna w Polsce, w Borowcu pod Poznaniem. – To bardzo droga technologia – wyjaśnia doktorant.

– Niestety, na badanych przez nas obszarach polarnych nie ma stacji laserowych, które pozwoliłyby zmierzyć odległości do satelitów – dodaje. – Dlatego wykorzystaliśmy tzw. pamięć orbity. Satelita przelatując nad obszarem o nietypowej masie zmienia orbitę, jego ruch ulega zaburzeniu.

– Na podstawie laserowych odległości do satelitów wyznaczyliśmy zmiany orbity. Potem ustaliliśmy, jakie siły musiały zadziałać, aby zmienić orbitę satelity przed oraz po przelocie nad obszarami okołobiegunowymi. Siły działające na satelitę związane są z masą Ziemi, czyli ze zmianami w jej kształcie. Przeliczyliśmy zmiany kształtu Ziemi na masę lodu – mówi prof. Sośnica. – W skrócie, 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. Zazwyczaj z satelity trzeba zarejestrować dany obszar, na przykład zdjęcie powierzchni Ziemi. Nasza metoda jest o tyle nieoczywista, że nie dysponowaliśmy obserwacjami tych satelitów, gdy przelatywały nad Grenlandią i Antarktydą.

Aby pomiary były precyzyjne, wykorzystano „pamięć” nie jednego, a nawet dziewięciu satelitów jednocześnie. Dzięki temu bez bezpośrednich obserwacji satelitów nad biegunami udało się wyznaczyć zmiany pokrywy lodowej na Grenlandii i Antarktydzie w latach 1995-2021. Przed rokiem 1995 nie było niektórych satelitów na orbicie, takich jak Stella czy LAGEOS-2, a na początku ich orbitowania liczba obserwacji laserowych do nich była bardzo mała. Dlatego stabilne i dokładne rozwiązania uzyskano dopiero od 1995 roku. Wyniki  okazały się mało optymistyczne.

Grenlandia znika w zawrotnym tempie

Liczby przerażają: sześć tysięcy ton lodu ubywa z Grenlandii co sekundę! To oznacza, że co roku topnieje tam średnio 190 gigaton, czyli miliardów ton lodu.

Topniejąca wyspa to nie tylko problem jej mieszkańców – woda spływająca z Grenlandii do północnego Atlantyku zakłóca cyrkulację wody i atmosfery. To jedna z przyczyn fal upału i innych zawirowań klimatycznych w Europie w ostatnich latach.

Według danych SLR jeszcze do lat 90. XX wieku masa lodowa była na Grenlandii we względnej równowadze. Po tym dość stabilnym okresie zaczęły się coraz gwałtowniejsze zmiany, proces ubywania przyspieszył. Najwięcej lodu stopniało w latach 2005–2010 (–213,9 miliardów ton rocznie) oraz 2010–2015 (–287,2). Przez kolejne cztery lata topnienie nieco zwolniło, a od 2019 do dzisiaj znowu wzrosło. Szczególnie szybko topnieją wybrzeża wyspy, centrum jeszcze akumuluje lód. Na Antarktydzie Zachodniej topnienie zaczęło się później, ale i tam lata 2010-2015 to największe zubożenie lodu.

– Okres 2015–2020 to spowolnienie topnienia Antarktydy, zmniejszenie negatywnego trendu i powrót do sytuacji z lat 90., kiedy nie obserwowano istotnych zmian masy lodu – mówi prof. Sośnica. Niestety, najnowsze dane pokazują, że lodu znowu tam ubywa i to w coraz szybszym tempie.

– Widzimy więc, że bilans masy lodu w obszarze polarnym jest zmiennym procesem. Zawiera i znaczny ubytek na wybrzeżach, ale też umiarkowany wzrost w centralnych częściach – dodaje profesor.

Przykładowo na Antarktydzie Wschodniej lodu prawdopodobnie raczej przybywa, lecz powoli. – Jednak to, co bierzemy za zwiększoną pokrywę lodową, może okazać się mylne, bo wypiętrza się skorupa ziemska. Szacunki co do szybkości wypiętrzania się skorupy ziemskiej pod lodem są bardzo niepewne. Jeśli nawet lodu przybywa, to na pewno nie tyle, żeby uzupełnić ubytki w zachodniej części – zastrzega geodeta. 

– Generalnie ocieplenie klimatu nasila się. Stężenie dwutlenku węgla w atmosferze jest tak wysokie, jak nigdy wcześniej, odkąd człowiek żyje na Ziemi – mówi. – Musimy ze wszelkich sił dbać o to, by nie wytrącić planety z delikatnej równowagi. Topnienie lodowców na obszarach polarnych odsłania ciemne skały, które nagrzewają się bardzo szybko. Lód odbija promieniowanie słoneczne w postaci tzw. efektu albedo. Nagrzewające się skały i brak albedo powodują szczególnie dużą akumulację ciepła właśnie w obszarach polarnych.

Nasza planeta – Ziemia, ziemniak czy gruszka?

Wyniki badań opublikował „Remote Sensing of Environment”, numer jeden wśród pism o badaniach środowiskowych. Modele zmian kształtu Ziemi uzyskane dzięki satelitarnym danym zostały umieszczone na platformie Międzynarodowego Centrum Globalnych Modeli Ziemi (ICGEM) prowadzonego przez Niemieckie Centrum Badań Ziemi GFZ Potsdam.

Jaki jest ten kształt? Domniemań w historii ludzkości było wiele, począwszy od starożytnych wyobrażeń, że Ziemia to spłaszczony dysk pływający po oceanie albo utrzymywany na skorupie wielkiego żółwia. Kulistość Ziemi udowadniali już Eratostenes, Pitagoras i Arystoteles. Nasza planeta jednak bynajmniej nie jest tak okrągła, jak globusy, z których się uczyliśmy. Jest raczej elipsoidą, bo jej ruch dookoła własnej osi powoduje powstanie siły odśrodkowej, która spłaszcza Ziemię na biegunach, a wybrzusza na równiku.

– Kształt Ziemi udało się poznać dokładniej w 1957 roku, kiedy został wyniesiony na orbitę pierwszy satelita, radziecki Sputnik I. Dziś dzięki precyzyjnym pomiarom wiemy, że nasza planeta jest jeszcze bardziej nieregularna niż elipsoida. Fachowo to geoida – profesor bierze do ręki zielony model z drukarki 3D, który kształtem i wielkością przypomina kartofla. – Za ten nieregularny kształt odpowiada rozkład gęstości skał. Płyty tektoniczne nachodzą na siebie i rozchodzą się.

Największe odchylenia widoczne od powierzchni to Himalaje.

– To nie jest kształt dany raz na zawsze – opowiada Krzysztof Sośnica. –  Cały czas zmienia  się, ze względu na procesy geologiczne, na przykład wypiętrzanie pasm górskich i kontynentów.  Na kształt rejestrowany przez satelity wpływają także  cykliczne procesy hydrologiczne, zwłaszcza w Amazonii i Afryce Środkowej. Obieg wody w przyrodzie sprawia, że na przykład w Kotlinie Konga lub w Amazonii w porze deszczowej przybywa tyle wody, że powoduje to zmianę kształtu o kilka centymetrów.

Badana przez naukowców zmiana związana z ubytkiem lodu niestety nie jest cykliczna, lecz długoterminowa. Od momentu rozpoczęcia pomiarów satelitarnych na Grenlandii oraz Antarktydzie mamy do czynienia z jego stałym ubytkiem. Misja GRACE jest również w stanie zaobserwować zmiany w kształcie Ziemi wynikające z jej trzęsień, na przykład niedaleko wybrzeży Sumatry w 2004 roku.

Prof. Sośnica podkreśla, że misje GRACE nie działały bezawaryjnie. Na satelitach GRACE po ośmiu latach na orbicie zepsuły się akumulatory. Ilekroć satelity wchodziły w cień Ziemi, pomiary nie mogły być przeprowadzone. Natomiast ma misji GRACE Follow-On przestał działać akcelerometr, który mierzy wszystkie perturbacje związane z oporem powietrza, ciśnieniem słonecznym i efektami nagrzewania się satelity. Zastosowano tzw. transplantację danych z akcelerometru z drugiego satelity, z odpowiednimi poprawkami.

– Awarie akcelerometrów oraz nierównomierne nagrzewanie się części satelitów GRACE i GRACE Follow-On spowodowały, że misje nie nadają się do wyznaczenia spłaszczenia Ziemi oraz jej tzw. gruszkowatości, czyli na ile półkula południowa jest bardziej wybrzuszona od półkuli północnej. Ten problem również postanowiliśmy rozwiązać pomiarami laserowymi do satelitów – mówi profesor.

Wziąć to, co najlepsze z każdej metody

W projekcie finansowanym przez Narodowe Centrum Nauki wrocławianie współpracowali z naukowcami z Instytutu Astronomicznego Uniwersytetu w Bernie: fizykiem i astronomem prof. Adrianem Jäggi i Ulrichem Meyerem, który zajmuje się geodezją satelitarną.

– To właśnie tam znajduje się jedno z 20 światowych obserwatoriów SLR i tam zrobiłem doktorat z fizyki i astronomii o pomiarach laserowych do satelitów geodezyjnych – opowiada Krzysztof Sośnica, kierownik Zakładu Geodezji.

Założył we Wrocławiu Centrum Analiz Laserowych Pomiarów Odległości do Sztucznych Satelitów Ziemi, które specjalizuje się w monitorowaniu dokładności orbit satelitów nawigacyjnych, takich jak europejski system Galileo.

Jeden z najmłodszych profesorów w Polsce (został nim w wieku 35 lat) jest członkiem Naukowego Komitetu Doradczego ds. GNSS w Europejskiej Agencji Kosmicznej i przewodniczącym Podkomisji ds. Koordynacji Technik Kosmicznych „Coordination of Space Techniques” w Międzynarodowej Asocjacji Geodezji. Zdobył wiele nagród, m.in. ministra („Geniusz Nauki”), Polskiej Akademii Nauk, Europejskiej Agencji Kosmicznej i Europejskiej Unii Nauk o Ziemi za wybitny wkład w rozwój światowej geodezji. Kilka lat temu w miejskim projekcie został także uznany za jednego z 30 Kreatywnych Wrocławia.

– Ważne jest, aby mieć do współpracy zmotywowanych i kreatywnych ludzi. Mam szczęście, że udało mi się stworzyć na uczelni taki zgrany zespół – mówi profesor. Był promotorem dr. inż. Radosława Zajdla, który jest współautorem tekstu, a obecnie jako promotor pomocniczy prowadzi doktorat Filipa Gałdyna. Doktorant w kolejnym artykule łączy dane pozyskane za pomocą techniki SLR z danymi z misji GRACE i GRACE  Follow-On. W przyszłości chciałby dołączyć do nich jeszcze dane z Globalnych Nawigacyjnych Systemów Nawigacji (GNSS).

– Dzięki połączeniu tych rozwiązań, możemy wziąć to, co najlepsze z każdej metody. Na przykład GRACE nie radziła sobie z wyznaczaniem spłaszczenia Ziemi, a takie kompleksowe podejście daje bardziej precyzyjne wyniki. Pozwala to nie tylko na obserwację stanu lodowców, ale także zmian w poziomach wód – mówi doktorant. Próbuje zidentyfikować obszary, w których przyspieszają niekorzystne procesy hydrologiczne, głównie z powodu działalności człowieka.

– To może być ubytek wody w jeziorach czy odpływ wód gruntowych. Na przykład w Morzu Kaspijskim od dawna ubywa wody, a w ciągu ostatnich 10 lat ten proces przyspieszył. Podobnie jest z Morzem Aralskim, które ma coraz mniej wody, ponieważ jest wykorzystywane do intensywnego nawadniania pól – opowiada. –  Niestety wielkoobszarowe rolnictwo eksploatuje zasoby do granic możliwości w tych rejonach.

Moonlight, czyli podróż do przyszłości

Zaletą wykorzystania satelitów kulistych jest to, że nie potrzebują żadnej elektroniki na pokładzie. Dzięki temu mogą przetrwać setki tysięcy lat krążąc wokół Ziemi. Na podstawie obserwacji ich ruchu można określić, jakie procesy zachodzą na naszej planecie.

– To niezwykle ważne, gdyż bez wiedzy o naszym negatywnym wpływie na środowisko, człowiek ciągle eksploatowałby zasoby naturalne bez umiaru. Planeta Ziemia jest naszym domem i na razie nie mamy dla niej alternatywy, chociaż wiele państw przygotowuje się do ekspansji na inne ciała niebieskie. Na pierwszy ogień pójdzie Księżyc – opowiada prof. Sośnica. Jego zespół zakończył w ubiegłym roku projekt misji satelitarnej do pozycjonowania, nawigacji i telekomunikacji na Księżycu na zlecenie Europejskiej Agencji Kosmicznej. Projekt przeszedł do fazy realizacji w ramach programu Moonlight. Astronauci prawdopodobnie już po 2027 roku będą mogli korzystać z pierwszej wersji „systemu GPS” dla Księżyca.

Oprócz misji Moonlight zespół zaangażowany jest w projekt GENESIS. Będzie to pierwsza misja satelitarna obserwowana nie tylko klasycznymi technikami, takimi jak GPS, Galileo czy SLR, ale również przez radioteleskopy. Zazwyczaj obserwują one odległe galaktyki, a w szczególności takie, które posiadają aktywne czarne dziury w swych centrach. Czarna dziura pochłaniając otaczającą materię wypromieniowuje energię, którą obserwujemy m.in. w postaci mikrofal na Ziemi. Takie aktywne galaktyki nazywane kwazarami są wykorzystywane w geodezji jako stałe punkty na niebie do określenia, jak Ziemia obraca się względem układu niebieskiego. Misja GENESIS będzie pierwszą misją satelitarną, która będzie integrować cztery główne techniki obserwacyjne geodezji na pokładzie jednego satelity, w tym również obserwacje radioteleskopami.

– Przyszłość przyniesie wiele inspirujących misji satelitarnych, w przygotowanie których nasz wrocławski zespół jest mocno zaangażowany – mówi profesor.

Aneta Augustyn

• 

  Prof. Krzysztof Sośnica: – Nauka jest żywiołem

  Krzysztof Sośnica, aktualnie najmłodszy profesor w Polsce, przewodniczący dyscypliny naukowej inżynieria lądowa i transport na UPWr o tym, jak buduje się zespół badawczy, czym w nauce jest współpraca, czego dzięki geodezji satelitarnej dowiedzieliśmy się o Ziemi i jak to jest tropić Einsteina.