Pierwszy Polak w Radzie Zarządzającej ILRS

Został Pan członkiem Rady Zarządzającej Międzynarodowej Służby Pomiarów Laserowych. Czym zajmuje się ta służba?

Ma realny wpływ na kierunki rozwoju pomiarów laserowych do sztucznych satelitów i Księżyca oraz na strategię rozwoju geodezji satelitarnej w ujęciu globalnym.

Jest Pan też pierwszym i jak dotychczas jedynym przedstawicielem z Polski, który zasiada w gronie kierowniczym Międzynarodowej Służby Pomiarów Laserowych ILRS/NASA. Powinnam więc zapytać Pana o satysfakcję.

Ja bym mówił raczej o dumie, wyróżnieniu, oczywiście ciężkiej, wieloletniej pracy zwieńczonej sukcesem. To mianowanie to dla mnie, ale sądzę, że nie tylko dla mnie, również dla całego polskiego środowiska związanego z geodezją satelitarną, powód to ogromnej radości. Ale idzie za tym również zobowiązanie i świadomość wyzwań, jakie są przed nami. Przewodniczący Rady składając mi gratulacje dodał, że jestem również najmłodszym członkiem w historii Rady.

Czym zajmuje się ILRS?

Historia pomiarów laserowych nieodłącznie jest związana z historią podboju kosmosu i pierwszych misji satelitarnych. W roku 1957 został wystrzelony pierwszy radziecki satelita Sputnik 1, rok później pierwszy amerykański satelita Explorer 1. Żeby wykorzystać sztuczne satelity do celów wojskowych, badawczych, czy też nawigacyjnych, potrzebna była znajomość orbity satelity, czyli współrzędnych pozycji satelity w czasie. Pierwsze pozycje satelity były wyznaczane na podstawie obserwacji optycznych z wykorzystaniem teleskopów lub poprzez fotografowanie śladów satelitów na tle gwiazd. Metody te pozwalały wyznaczyć orbitę z dokładnością kilkuset metrów, ponieważ na zdjęciach nie widać odległości, czyli składowej radialnej orbity. Jednocześnie w tym czasie pracowano nad nowym wynalazkiem – laserem – który jest niczym innym jak uporządkowanym światłem o zadanej długości fali, kierunku i polaryzacji. Postanowiono wykorzystać laser do pomiarów odległości.

W jaki sposób?

Do tego były potrzebne specjalne pryzmaty odbijające światło lasera w tym samym kierunku, co wiązka padająca. Pierwszym satelitą na orbicie, który posiadał takie pryzmaty był Explorer 22 wystrzelony w 1964 roku. Pomiary wykonane w obserwatorium NASA Goddard przeszły wszelkie oczekiwania, ponieważ dokładność wyznaczenia odległości do satelity była poniżej 1 metra. Tym samym zaczęto instalować pryzmaty do pomiarów laserowych na wielu sztucznych satelitach. Wreszcie, w 1969 roku misja Apollo 11 zabrała pryzmaty laserowe i zainstalowała je na powierzchni Księżyca. Te pierwsze były tak dokładne, że trzeba było zredefiniować wspólne pochodzenie Srebrnego Globu i Ziemi.

Czego jeszcze dowiedziano się dzięki tym pomiarom?

Odkryto, że Księżyc oddala się od Ziemi o 38 mm rocznie i w przeszłości znajdował się znacznie bliżej, przez co długość ziemskiej doby była znacznie krótsza. Do dziś umieszczono na Księżycu trzy reflektory amerykańskie – Apollo 11, 14, 15 oraz dwa na autonomicznych radzieckich łazikach Luna 17 i 21.

Co dały pomiary satelitarne?

W latach 70., kiedy jeszcze nie istniał system GPS, obserwacje laserowe wraz z interferometrią wielkobazową pozwoliły potwierdzić teorię ruchu kontynentów, które wynoszą do kilkunastu centymetrów rocznie oraz wyznaczyć w przybliżeniu granice płyt tektonicznych. Na całym świecie zaczęły powstawać obserwatoria laserowe wykonujące laserowe pomiary odległości do sztucznych satelitów i Księżyca. Obecnie działa około 50 obserwatoriów, które są zrzeszone w ILRS. Jedyne obserwatorium laserowe w Polsce rozpoczęło pomiary w 1976 roku w Borowcu pod Poznaniem i wykonuje do dzisiaj precyzyjne pomiary do satelitów z dokładnością pojedynczych milimetrów oraz od niedawna również do śmieci kosmicznych.

Jakie znacznie dla nauki mają te pomiary?

ILRS zrzesza nie tylko obserwatoria laserowe rozmieszczone na całym świecie, ale także centra przetwarzania laserowych pomiarów odległości do sztucznych satelitów i Księżyca. Dostarcza zatem fundamentalnych obserwacji i produktów wykorzystywanych w różnych obszarach geodezji satelitarnej, fizyki, astronomii, geofizyki, nauk o Ziemi i o środowisku. Technika laserowa SLR służy do realizacji globalnych geodezyjnych układów odniesienia dostarczając najdokładniejszej informacji na temat położenia środka ciężkości masy Ziemi, tzw. geocentrum, gdzie zazwyczaj przyjmuje się początek globalnych układów odniesienia. Żadną inną techniką nie da się wiarygodnie wyznaczyć gdzie dokładnie znajduje się środek Ziemi. Mierząc odległości do satelitów i obserwując jak się poruszają można wyznaczyć środek Ziemi z dokładnością poniżej milimetra. Skala układu w technice laserowej wiąże skalę długości (definicja metra powiązana z prędkością światła) ze skalą dynamiczną (stała grawitacji wpływająca na ruch średni satelitów) oraz ze skalą czasu – poprzez powiązanie z czasem uniwersalnym i definicją sekundy). Ponadto obserwacje laserowe pozwalają na wyznaczenie parametru spłaszczenia Ziemi, stałej grawitacji, kształtu geoidy, dobowych współrzędnych bieguna Ziemi, zmienności długości doby. Pomiary laserowe służą wreszcie do kalibracji sensorów na satelitach altimetrycznych służących do wyznaczenia zmian poziomu wód w morzach i oceanach, wyznaczania precyzyjnych orbit satelitów geodezyjnych, teledetekcyjnych i nawigacyjnych, transferu czasu i komunikacji kwantowej oraz do weryfikacji efektów wynikających z ogólnej teorii względności, m.in. efektu Lensa-Thirringa, zasady równoważności Einsteina oraz grawitacyjnego przesunięcia ku czerwieni.

Film przedstawiający stację laserową Zimmerwald w Szwajcarii prowadzoną przez Instytut Astronomiczny Uniwersytetu w Bernie, gdzie prof. Krzysztof Sośnica pracował i obronił swoją pracę doktorską

Czy zajmuje się Rada, której został Pan członkiem?

Wszystkie działania związane z pomiarami laserowymi oraz wyznaczaniem produktów naukowych na podstawie tych obserwacji koordynowane są przez ILRS. Strategia rozwoju i działania ILRS koordynowane są z kolei przez Radę Zarządzającą. Ta ponadto definiuje standardy i procedury pomiarów laserowych, akceptuje misje satelitarne do śledzenia oraz ustala priorytety w dostarczaniu oficjalnych produktów naukowych.

Jak wygląda jej wybór?

Proces wyłaniania członków tego 18-osobowego gremium jest wieloetapowy. Przewodniczącym jest prof. Michael Pearlman z Centrum Astrofizycznego na Harvardzie. Siedziba ILRS (Central Bureau) mieści się w NASA, w Centrum Lotów Kosmicznych Goddarda, niedaleko Waszyngtonu.

I po raz pierwszy w skład rady wszedł Polak. Wśród członków Rady znalazł się po raz pierwszy przedstawiciel Polski.

Zostałem wybrany jako „appointed member”, czyli uzyskałem jeden z dwóch mandatów przyznanych w drodze mianowania przez pozostałych członków Rady. Moją rolą będzie m.in. koordynacja współpracy pomiędzy Międzynarodową Służbą Pomiarów Laserowych, a Międzynarodową Służbą GNSS (ang. International GNSS Service) w zakresie śledzenia i przetwarzania obserwacji laserowych do nowych systemów GNSS: Galileo, GLONASS, BDS, QZSS, GPS bloku III, a także integracja obserwacji laserowych i mikrofalowych na pokładzie satelitów nawigacyjnych i teledetekcyjnych oraz badania nad realizacją globalnych układów odniesienia z wykorzystaniem satelitów pasywnych i aktywnych.

***

Krzysztof Sośnica

Kieruje Stowarzyszonym Centrum Analiz ILRS (www.govus.pl) mieszczącym się w Instytucie Geodezji i Geoinformatyki UPWr oraz posiada bogaty dorobek naukowy z zakresu integracji obserwacji pochodzących z różnych geodezyjnych technik pomiarowych, a w szczególności przetwarzania obserwacji laserowych do satelitów GNSS, geodezyjnych i teledetekcyjnych.