Aktualności

Nowa metoda pomiarów ubytku lodu na Grenlandii i Antarktydzie wykorzystująca „pamięć orbity”

24-01-2024

W wyniku polsko-szwajcarskiej współpracy została opracowana nowa metoda wyznaczania zmian kształtu Ziemi na podstawie obserwacji anomalii w ruchu sztucznych satelitów oraz "pamięć orbity". Metoda pozwala na wyznaczenie zmian masy, a w tym zmian lodu na odległych obszarach, gdzie nie jest możliwe zainstalowanie instrumentów pomiarowych. Wyniki zostały opublikowane w prestiżowym czasopiśmie Remote Sensing of Environment (IF=13.5), a modele zmian kształtu Ziemi zostały umieszczone na platformie Międzynarodowego Centrum Globalnych Modeli Ziemi (ICGEM).

Jak mierzymy zmiany kształtu Ziemi?
Dostęp do terenów środkowej Grenlandii oraz Antarktydy jest na tyle utrudniony, że ciężko jest wyznaczyć ubytek masy lodu w tych obszarach. Z pomocą przychodzą misje satelitarne, takie jak misja GRACE, składająca się z pary satelitów mierzących odległość między sobą. Gdy pod jednym z satelitów znajduje się anomalia grawitacyjna w postaci większej masy, satelita jest silniej przyciągany, co wpływa na zmianę wzajemnej odległości. Następnie drugi satelita przelatuje nad tym samym obszarem, doznając przyspieszenia i zmiany pozycji, która jest rejestrowana przez odbiornik GPS oraz interferometr służący do pomiaru odległości między satelitami.


Rys. 1. Misja GRACE do pomiarów zmian ziemskiej grawitacji (źródło: NASA).

Misja GRACE została umieszczona na orbicie w 2002 r., stąd też niewiele wiadomo o zmianach masy i ziemskiej grawitacji przed tym okresem. Ponadto, misja ta zakończyła się, gdy pierwszy satelita spłonął w atmosferze ziemskiej 24 grudnia 2017 r., a następnie drugi 10 marca 2018 r. Misja GRACE doczekała się kontynuacji w postaci konstelacji dwóch bliźniaczych satelitów – GRACE Follow-On wyniesionych na orbitę w 2018 r. oraz wykonujących pomiary Ziemi do dzisiaj. Jednakże przerwa w dostarczaniu danych o zmianach grawitacji na przełomie 2017 i 2018 r. wynosi 12 miesięcy.

Nowa metoda pomiarów zmian kształtu Ziemi
Naukowcy z Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu (Instytut Geodezji i Geoinformatyki) oraz Uniwersytetu w Bernie w Szwajcarii (Instytut Astronomii) postanowi oszacować zmiany mas na Ziemi przed początkiem misji GRACE oraz uzupełnić brakujące dane pomiędzy GRACE i GRACE Follow-On. Do tego celu postanowili wykorzystać inne misje satelitarne, a w szczególności satelity kuliste orbitujące wokół Ziemi już od lat ’70 XX wieku. Ruch satelity kulistego ulega zaburzeniu przelatując nad obszarem o dużej lub małej masie. Satelita wyposażony jest w specjalne pryzmaty, które odbijają światło lasera dokładnie w tym samym kierunku, co wiązka padająca, dzięki czemu można mierzyć ich pozycję z Ziemi dalmierzami laserowymi i wyznaczać ich pozycję.


Rys. 2. Replika satelity geodezyjnego do pomiarów laserowych GFZ-1. Fot. K. Sośnica

Wykorzystanie „pamięci orbity” satelitów
Problem z wykorzystaniem pomiarów laserowych do analiz zmian na Grenlandii i Antarktydzie polega na tym, że na tych obszarach nie ma ani jednej stacji laserowej mierzącej odległości do satelitów. Dlatego nie można bezpośrednio pomierzyć anomalii w pozycji satelity spowodowanej ubytkiem masy lodu nad Grenlandią czy Antarktydą. Dlatego polsko-szwajcarski zespół zaproponował wykorzystanie „pamięci orbity”. Satelita przelatując nad danym obszarem o nietypowej masie zmienia swoją orbitę. Na podstawie późniejszego i wcześniejszego pomiaru odległości można wyznaczyć, gdzie i kiedy nastąpiła zmiana orbity oraz jak duża była masa na Ziemi powodująca zmianę orbity. Jeden satelita nie wystarcza do wyznaczenia dokładnego czasu i miejsca oraz wartości masy na Ziemi powodującej zmianę trajektorii ruchu statku kosmicznego. Do tego zmiana orbity może następować za sprawą innych czynników, takich jak opór powietrza, czy ciśnienie promieniowania słonecznego. Jednak już obserwacje większej liczby satelitów pozwalają na jednoznaczne stwierdzenie o przyczynie zmiany. Oszacowania zmian masy dla całej Ziemi prowadzą do dużych korelacji, w wyniku czego nie można łatwo rozróżnić, który obszar jest odpowiedzialny za obserwowaną zmianę orbity. Dlatego naukowcy zaproponowali opracowanie modeli globalnych o różnych stopniu szczegółowości – od ogółu do szczegółu, które następnie są łączone. Metoda rozbicia i łączenia równań obserwacyjnych (ang. „splitting and re-stacking of normal equations”) opracowana przez zespół naukowców doskonale się sprawdziła w zakresie tworzenia dokładnych modeli zmian kształtu Ziemi. Pierwszym autorem publikacji, która opisuje metodę, jest Filip Gałdyn, doktorant z Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu.

Antarktyda i Grenlandia – stabilne tylko do 2000 roku
Opracowana metoda pozwoliła na wyznaczenie zmian wartości lodu na przełomie lat 1995-2022. Okazało się, że w latach 1995-2000 praktycznie żadne większe zmiany nie następowały na Grenlandii oraz w Zachodniej Antarktydzie. Po tym okresie obserwujemy coraz szybszy proces ubytku mas lodu. Na Grenlandii lata 2010–2015 charakteryzują się największym ubytkiem masy lodowej. Proces utraty lodu wyhamował w latach 2015–2019, by następnie ponownie przyspieszyć, co obserwujemy obecnie. Natomiast w Antarktydzie Wschodniej następuje powolny proces akumulacji masy lodu, który jest na tyle wolny, że nie jest w stanie zrekompensować ubytku lodowców w innych rejonach.


Rys. 3. Zmiany masy na Grenlandii i Antarktydzie spowodowane topnieniem lodowców i akumulacją śniegu (źródło: Gałdyn i in. 2024).

Więcej na temat nowej metody wyznaczenia zmiany lodu na obszarach okołobiegunowych można znaleźć w artykule:
Gałdyn, F., Sośnica, K., Zajdel, R., Meyer, U., & Jäggi, A. (2024). Long-term ice mass changes in Greenland and Antarctica derived from satellite laser ranging. Remote Sensing of Environment, 302, 113994. https://doi.org/10.1016/j.rse.2024.113994

Modele globalne kształtu Ziemi dostępne są na stronie ICGEM: http://icgem.gfz-potsdam.de/sp/04_SLR_/IGG_UPWr_SLR

Badania zostały przeprowadzone w ramach projektu NCN "EAGLE - Ewolucja ziemskiego pola grawitacyjnego (EArth`s Gravity fieLd Evolution)" UMO-2021/42/E/ST10/00020.