Weerpatronen ontwaren met GOCE

Meer dan vier jaar lang zweefde GOCE vlak boven ons hoofd. In die tijd hield de satelliet zich bezig met het vastleggen van de schommelingen in het aardse zwaartekrachtveld. En dat deed de satelliet met ongekende precisie.

Het resultaat is een van de meest nauwkeurige 'geoid'-modellen dat ooit geproduceerd is. Het model kan onder andere gebruikt worden om stromingen van de oceaan, het zeeniveau, de ijsstromingen en het binnenste van de aarde in kaart te brengen.

In een poging de best mogelijke meetgegevens te verzamelen, vloog de aerodynamische satelliet in een extreem lage baan om de aarde. De zwaartekrachtsatelliet daalde tijdens zijn missie af tot een hoogte van 235 kilometer. Dat is zo'n 500 kilometer lager dan de meeste andere aardobservatiesatellieten.

Luchtweerstand

Satellieten die in zo'n lage baan om de aarde vliegen krijgen te maken met dat wat in de lucht- en ruimtevaart 'air drag' genoemd wordt. Door de snelheid waarmee de satelliet vliegt, treedt er een vorm van luchtweerstand op. Dergelijke weerstanden remmen een voertuig af tijdens de vlucht.

In het geval van GOCE werd dat probleem opgelost door het gebruik van een unieke straalmotor. Deze ionenmotor compenseerde de vertraging door middel van kleine, goed uitgekiende ontstekingen. Dankzij de straalmotor is ESA's zwaartekrachtsatelliet gedurende zijn ruimtemisse al die tijd stabiel gebleven.

Omdat de unieke ionenmotor reageert op kleine veranderingen in de luchtweerstand, hebben wetenschappers de motor en de versnellingsmeter in GOCE gebruikt om een compleet nieuwe set gegevens te verzamelen. Met de gegevens kunnen de dichtheid in de bovenste aardatmosfeer en de daarin voorkomende windsnelheden in kaart worden gebracht.

De onderzoeken werden uitgevoerd met behulp van ESA's Earth Observation Support to Science Element-programma. De nieuwe dataset is recentelijk beschikbaar gesteld aan de wetenschap.

Impact van zonneactiviteit

“De gegevens die GOCE verzameld heeft kunnen gebruikt worden om de aerodynamische krachten die op de satelliet drukten in kaart te brengen”, legt Eelco Doornbos van de Technische Universiteit Delft uit. De universiteit had een grote inbreng in de ontwikkeling van de satelliet. “Deze kracht wordt veroorzaakt door moleculen en atomen die in de bovenste laag van de atmosfeer van de satelliet afkaatsen.”

Volgens Doornbos kan de hieruit voortgekomen dataset nieuw licht werpen op de impact die zonneactiviteit heeft op het bovenste deel van de aardse atmosfeer. “Wat daarboven gebeurt is heel anders dan de activiteit die we hier op de grond kennen. Doorgaans staan variaties in het hoogste deel van onze atmosfeer vooral in het teken van de zonneactiviteit. Die activiteit verloopt in cycli van 11 jaar.”

Vanaf het moment dat GOCE in 2009 gelanceerd werd, is de zonneactiviteit langzaamaan opgelopen van een minimum naar een maximum. De zwaartekrachtsatelliet bevond zich al die tijd op een constante hoogte van de aarde. Ook ten opzichte van de zon bleef GOCE al die tijd op dezelfde positie. “Dat betekent dat deze missie ons een uitstekende kans heeft geboden om de relatie tussen zonneactiviteit en de dichtheid van de wind in kaart te brengen.”

Het gat dichten

In het eerste jaar na de lancering van de zwaartekrachtsatelliet was er nog ongebruikelijk weinig zonneactiviteit. De gebruikelijke schommelingen in zonneactiviteit waren zelfs bijna helemaal afwezig. De dichtheid en windsnelheden die GOCE in deze periode vastlegde, doen daarom ideaal dienst als nulpunt in de metingen van de aardobservatiesatelliet.

“Deze nieuwe dataset helpt ons het gat tussen verschillende metingen in de bovenste lagen en de onderste lagen van de atmosfeer te dichten”, aldus professor Jeffrey Forbes van de Universiteit van Colorado. “De meetgegevens geven ons inzicht in de manier waarop het golvenspectrum in de bovenste lagen van de atmosfeer zich ontwikkelen.”

Extreem succesvolle missie

Hoewel GOCE over enkele weken terug zal keren in de aardse dampkring en daarbij vernietigd zal worden, wordt de missie als een immens succes beschouwd. De missie van de aardobservatiesatelliet duurde maar liefst drie keer langer dan vooraf gepland. Ondanks het feit dat de missie van GOCE bijna ten einde is, wordt verwacht dat de metingen van de zwaartekrachtsatelliet nog veel meer bijzondere resultaten gaan opleveren.

“GOCE is zijn einddoel ver voorbij gestreefd”, aldus missiemanager Rune Floberghagen. “Dit type wetenschap kijkt niet alleen naar de dichtheid en de wind in de bovenste lagen van de atmosfeer, maar ook naar de interactie tussen de verschillende lagen van de lucht boven ons. Daardoor kunnen we als het ware weerpatronen ontwaren in de data van GOCE.”