Družice GOCE

Unikátní družice GOCE mapuje anomálie v gravitačním poli Země.

Na přelomu června a července 2010 byl na sympóziu ESA Living Planet zveřejněn první globální gravitační model založený na datech z evropské družice GOCE. Název této družice (který se obvykle čte jako gouči, nebo goče ale používá se někdy dokonce i gous) je akronym z anglických slov Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer, tedy průzkumník gravitačního pole a ustáleného oceánského proudění.

Obr. Družice GOCE, délka 5 metrů, šířka 1 metr a hmotnost 1050kg. Zdroj: ESA

Na rozdíl od ostatních poněkud krabicovitých družic, GOCE na první pohled zaujme nezvykle elegantním aerodynamickým tvarem. Ten vyplývá z její první unikátní vlastnosti: družice GOCE je v současné době nejníže obíhajícím funkčním vědeckým satelitem. Nejnižší možná výška je nezbytná pro opravdu přesná a podrobná měření gravitačního pole, ale její současná oběžná dráha ve výšce od 253 do 265 km (srpen 2010) je už natolik nízká, že je družice brzděna vrchní vrstvou zemské atmosféry. Pro snížení čelního odporu tak musí mít aerodynamický tvar a pro lepší stabilitu letu je dokonce vybavena malými křidélky (tzv. winglety). To ale samo o sobě na udržení družice na tak nízké oběžné dráze nemůže stačit. Proto je družice vybavena iontovým motorem, který jí pohání vpřed a zabraňuje ztrátě rychlosti. Družice GOCE je celosvětově teprve osmou družicí vybavenou tímto pohonem (SERT-I, SERT-II, Deep Space 1, Artemis, Hayabusa, Smart 1, Dawn).

Obr. Vnitřní části družice GOCE. Zdroj: ESA

Iontový motor Kaufmanova typu má na družici GOCE k dispozici nádrž se 40kg Xenonu a elektrickou energii vyrobenou solárními články. Xenon se při průchodu motorem nejdříve ionizuje elektrickým výbojem a výsledné elektricky nabité částice jsou pak urychlovány rozdílem elektrických potenciálů mezi elektrodami. Na rozdíl od chemických motorů, které podávají velký výkon v krátkém čase, dávají iontové motory sice malý výkon, ale zato po velmi dlouhou dobu. Také vystačí s menší hmotností paliva a protože zde nedochází k hoření paliva, je jejich tah mnohem vyrovněnější a prakticky bez vibrací, které by pro měření družice GOCE byly značným problémem. Ionty Xenonu jsou sice v motoru družice GOCE urychlovány na rychlost 40000 metrů za sekundu, ale výsledná maximální síla motorů je pouze 20miliNewtonů. To je síla velmi malá, srovnatelná tak se silou normálního lidského výdechu, ale pro udržení GOCE na oběžné dráze je zcela nezbytná. Až budou zásoby Xenonu v nádrži vyčerpány, bude to pro družici znamenat neodvratný a poměrně dost rychlý konec…

Obr. Dvě tváře družice GOCE, ke Slunci přivrácená polovina (vpravo) je zakryta slunečními panely a nezakrytou od Slunce odvrácenou částí (vlevo) může v případě potřeby odcházet přebytečné teplo. Zdroj: ESA

Nejunikátnější a nejpodstatnější částí družice GOCE je ale především elektrostatický gradientometr. Skládá se ze šesti akcelerometrů umístěných na koncích půlmetrových na sebe kolmých ramen. Z jejich vzájemných pohybů se budou zjišťovat odchylky v gravitační poli Země. Velmi přesné mikroakcelerometry mají schopnost měřit i tak malá zrychlení, jaké by udělil letadlové lodi náraz jediné kapky vody.

Obr. Schematické znázornění funkce gradientometru složeného ze tří na sebe kolmých ramen. Vzhledem k různé pozici akcelerometrů na koncích ramen, je gravitační působení hmoty (modrý jehlan) na jednotlivé akcelerometry různé a při pohybu hmoty pod gradientometrem se její působení na jednotlivé akcelerometry postupně předvídatelně mění. Je proto možné odlišit gravitační a negravitační vlivy (například setrvačné síly vyvolanou brzděním o atmosféru). Zdroj: ESA

Zveřejněná mapa globálního gravitačního modelu znázorňuje rozdíly mezi geoidem (ekvipotenciální gravitační plochou) a elipsoidem . Obě tyto plochy si lze představit jako hladinu hypotetického oceánu pokrývajícího celou Zemi a neovliňovaného dalšími vnějšími vlivy (atmosféra, gravitace Slunce a Měsíce atd.). Pokud by hmota v tělese Země byla rozložena rovnoměrně, měl by tento hypotetický oceán tvar elipsoidu (protože kvůli svojí rotaci je Země na pólech mírně zploštělá a tak nemá tvar přesné koule). Hmota skutečné Země ale rovnoměrně rozložená není a tak by se tvar hladiny tohoto globálního oceánu zdeformoval do nepravidelného geoidu. Místa s větší hmotou (a tedy větší gravitací) by přitáhla vody více, místa s menší hmotou méně a na hladině by vznikly trvalé kopce a důlky. Mezi nejvyšším a nejnižším bodem by byl rozdíl zhruba 200 metrů. Rozdíl mezi výškou geoidu a elipsoidu je tedy způsoben nerovnoměrným rozložením hmoty v zemském tělese a z toho vyplývajících gravitačních anomálií, které GOCE mapuje.

Zdroj: ESA
Na mapě si můžete všimnout, že zóny s kladnými odchylkami (především kolem Islandu a Indonésie) se shodují s vulkanicky velmi aktivními oblastmi. Nápadná je velká oblast negativních odchylek jižně od Indie. Zdánlivě velká hmota Himalájí je na této mapě naopak překvapivě nenápadná.
Podrobná znalost odchylek v rozložení hmoty Země pomůže pochopení dynamiky zemské kůry a vrchního pláště Země, podobná podrobná měření časem možná umožní předpovídat zemětřesení a sopečnou činnost. Odchylky v gravitačním poli Země ovlivňují oceánské proudění i pohyb družic na oběžných drahách, tvar geoidu ovlivňuje měření výšek v geodézii. A další možné aplikace pro data z družice GOCE se stále ještě zkoumají.

Co se týká minulosti a budoucnosti, družice GOCE byla vynesena na oběžnou dráhu 17. března 2009 z kosmodromu Plesetsk nosičem Rockot společnosti Eurockot Launch Services . Tento nosič je modifikovanou mezikontinentální balistickou střelou SS-19 Stiletto (UR-100N), které byly vyřazeny z výzbroje na základě smlouvy o redukci strategických zbraní. Na původní dvoustupňovou balistickou střelu byl nově přidán ještě třetí stupeň Briz-KM.
Družice GOCE byla první úspěšně vypuštěnou družicí Evropské kosmické agentury ESA v rámci programu zkoumání Země Earth Explorer. Předchozí družici CryoSat se po startu na stejném nosiči ze stejného kosmodromu nepodařilo vynést dostatečně vysoko a zřítila se do oceánu. Start náhradního CryoSatu-2 pak byl zadán konkurenční společnosti Kosmotras a jejich nosiči Dnepr odvozenému z jiné mezikontinentální balistické střely, označované jako SS-18 Satan (R-36MUTTH). Úspěšný start nosiče Rockot s družicí GOCE byl tak po předchozím neúspěchu jeho rehabilitací.
Předpokládaná životnost družice (vzhledem k omezené zásobě Xenonu pro iontový motor) je asi dva roky, tedy zhruba do roku 2011. Nicméně to závisí také na aktivitě našeho Slunce. Vyšší aktivita Slunce způsobuje rozpínání zemské atmosféry a tím i silnější brzdění družic na nízkých oběžných drahách. Sluneční aktivita kolísá v jedenáctiletých cyklech a Slunce nyní setrvávalo v minimu své aktivity až překvapivě dlouho, takže GOCE zatím spotřebovala mnohem méně Xenonu, než se původně odhadovalo. Tím by se mohla prodloužit doba její životnosti možná až do roku 2014. Výsledky družice GOCE navazují a doplňují výsledky měření starších a zhruba pětkrát méně přesných družic GRACE. Výsledky budou pro vědecké a nekomerční účely dostupné zdarma.

Seznam projektů českých vědců na zpracování a aplikace dat z GOCE najdete zde.

Podrobnou technickou dokumentaci v anglickém jazyce o datových produktech lze nalézt na stránkách ESA, např. GOCE Level1b Product User Handbook nebo GOCE Product Data Handbook.