You are here

Taevalaotuse atraktiivseim satelliit

Mitmed uurimisrühmad on juba mõnda aega oodanud 2010. aasta juuli alguspäevi, mil avaldatakse GOCE-satelliidi esimesed mõõtmistulemused. GOCE ehk Gravity field and steady state Ocean Circulation Explorer ehk Maa gravitatsioonivälja ja maailmamere püsiringluse seiresatelliit viidi orbiidile möödunud aastal. Stardile järgnevatel päevadel suutis GOCE köita maailma meediakanalite tähelepanu. Seda tituleeriti kõigi aegade „kauneimaks" või koguni „seksikaimaks". Milles asi?

Viimastel aastakümnetel on kogu maakera hõlmavate protsesside uurimisel tõhusat abi ja avaramat vaatenurka pakkunud Maa tehiskaaslased ja nendele tuginev kaugseire. Praegu kavandatakse pikaajalisi uurimisprogramme mitmete oluliste geoteaduse mõistatuste lahendamiseks.

Vaja on kaardistada globaalne gravitatsiooniväli

Mõned aastad tagasi palus Ameerika Ühendriikide kosmoseuuringute keskus NASA (National Aeronautics and Space Administration) mõjukailt teadlastelt ekspertarvamust, mis on kõige olulisemad probleemid, mille lahendamisest kosmosetehnoloogia abil saaks kasu kogu inimkond. Ekspertide arvates on järgneval paarikümnel aastal vajalik (ja võimalik) leida vastus kuuele olulisele küsimusele.

  • Kuidas deformeeruvad laamade servad ja kuidas on see seotud maavärinatega?
  • Millised on jäämasside, ookeanide ja tahke maa omavahelised protsessid ning kuidas on need seotud maailmamere tõusuga?
  • Kuidas arenevad magmasüsteemid ja millistel tingimustel purskavad vulkaanid?
  • Missugune on Maa vahevöö ja maakoore vastastikmõju ning kuidas reageerib sellele maakoor?
  • Kuidas geotektoonilised ja kliimaprotsessid Maa väliskuju vormivad ja looduskatastroofe tekitavad?
  • Missugused on Maa magnetvälja muutused ja kuidas need mõjutavad geosfääre?

Nende ülesannete lahendamiseks esitatud mõõtmisstrateegiad põhinevad kosmosetehnoloogial ja mitmete globaalsete nähtuste kaardistamisel. Maa gravitatsioonivälja täpsustav mõõtmine on hädavajalik näiteks nelja esimese mõistatuse lahendamisel. Seega peaks kosmilisi kulutusi nõudvast tegevusprogrammist kaudset kasu saama kogu inimkond. Näiteks võib tuua hiljutise Haiti maavärina, mille õõvastavaid tagajärgi telepilt kõigile edastas. Viimasest kümnendist meenuvad veel India ookeani rannikuriike ning Jaapani linna Kobet räsinud maavärinaid, mis olid samuti ohvriterohked. Ja ega maavärinad tulevikuski toimumata jää. Kui aga uuringute tulemusena õnnestuks inimesed õigel ajal evakueerida ja vähendada kahjusid maavärina epitsentris, pääseks kergemalt ka maksumaksja rahakott traditsioonilistes doonorriikides - arenenud maades, mille hulka me iseenesest mõista tahame arvata ka Eesti.

Maa gravitatsioonivälja täpsem tundmaõppimine globaalses mõõtmes on osutunud võimalikuks alles kosmoseajastul. Pole ju kosmoses vaja näha erilist vaeva gravimeetriliste mõõtmiste jaoks nii vajaliku vaakumi tekitamisega (vt ka infokasti). Kui viia kosmosesse keha, mille mass on teada - ja tehiskaaslaste puhul on mass ju üsna täpselt määratav - ning jälgida keha trajektoori hälbeid ja liikumiskiirenduse muutlikkust, on nende põhjal võimalik tuletada Maa gravitatsioonivälja parameetreid. Teatavasti liigub või pigem „vabalangeb" Maa orbiidil tiirlev objekt raskusjõu mõjul kiirenevalt oma orbiidi keskme suunas. Satelliit püsib aga orbiidil üksnes liikumiskiiruse ning orbiidi kõrguse õige vahekorra tõttu.

Praegu tiirlevad ümber Maa sajad tehiskaaslased, mida saab käsitleda gravimeetriliste proovimassidena. Ilmne, et satelliidi kaugenemisel keskmisest (ennustuslikust) orbiidist ületab see nõrgema gravitatsiooniga ala. Kui satelliit läheneb maapinnale, on tegemist keskmisest „ligitõmbavama" piirkonnaga. Otse loomulikult peavad piirkondlikud gravitatsioonianomaaliad hõlmama piisavalt suurt maa-ala, rohkem kui sada kilomeetrit, et seda oleks võimalik kosmosest tunnetada. Tehissatelliidi liikumisest tuleks mõistagi välja filtreerida muud kosmoseaparaadi liikumist mõjutavad tegurid.

Kogu maakera hõlmavatel gravitatsioonivälja uuringutel ongi kõige tõhusam tugineda maalähedaste, st maapinnast 200-1000 kilomeetri kõrgusel tiirlevate tehiskaaslaste trajektooride vaatlustele. Arusaadavalt on gravitatsioonivälja täpsustamine olnud üks peamisi eesmärke kosmoseajastu algusest, kuna seda andmestikku saab muu hulgas kasutada, et täpsustada orbiidiennustusi kosmoseaparaatidele ning neid seeläbi täpsemalt juhtida. Paraku puudus inimkonnal esialgu tehnoloogia, mis aidanuks satelliitide asukoha piisava täpsusega määrata. Siin tulid appi geodeesiateaduse meetodid. Olgugi et geodeesia peamine eesmärk on Maa kuju määramine, on möödunud sajanditel olnud üldsuse jaoks kõige tuntumaks geodeetiliseks tegevuseks just mitmesuguste objektide asukohamäärang. Geodeetilistes täppismõõtmistes toimunud edasiminek on järk-järgult loonud eeltingimused kosmoseaparaatide tänapäevaseks asukohamääranguks ja seeläbi Maa gravitatsioonivälja täpsustamiseks.

Gravitatsioon, raskusjõud ja raskuskiirendus

Juba imikuea kukkumiskogemuse ning koolis selgitatu põhjal teavad kõik, et Maa massi genereeritud gravitatsioon mõjub kõigile kehadele. Inglise füüsiku Isaac Newtoni 17. sajandil sõnastatud gravitatsiooniseaduse kohaselt tõmbavad kehad üksteist jõuga, mis on võrdeline nende kehade massidega ning pöörvõrdeline nendevahelise kauguse ruuduga. Siinse kirjutise fookuses olevatel juhtudel kehade mass mõõtmise ajal oluliselt ei muutu, küll aga võib muutuda kehadevaheline kaugus. Näiteks vähendab objektide vahemaa kahekordne suurenemine kaugusliku pöördruutsõltuvuse tõttu külgetõmbejõudu esialgse tugevusega võrreldes neli korda.

Kõik massiga objektid, olgu maal või ilmaruumis, genereerivad gravitatsiooni ehk külgetõmbejõudu. Siiski muutub gravitatsioonijõud tunnetatavaks üksnes juhul, kui vähemalt üks keha on küllalt suure massiga, näiteks planeet või täht. Huvipakkuvas piirkonnas domineerivat massi nimetakse tihti gravitatsiooniallikaks, selle mõjuväljas kulgevat keha aga proovimassiks. Külgetõmbejõu arvutamises on üsna palju määramatust, kuna otseste meetoditega pole gravitatsiooniallika massi võimalik määrata. Ka pole, erinevalt üldlevinud arvamusest, külgetõmbejõud gravitatsiooniallika eri piirkondades ega selle lähikonnas ühesugune. See on tingitud gravitatsiooniallika massi tiheduse ebaühtlasest jaotusest, mistõttu allika eri osad genereerivad eri suurusega külgetõmbejõudu. Selle piirkondlikku väärtust saab täpsustada, jälgides teadaoleva massiga proovikeha kulgemist gravitatsiooniallika mõjuväljas. Just seda põhimõtet rakendataksegi, kui Maa gravitatsioonivälja kosmoseaparaatidega uuritakse.

Tegelikkuses mõjutavad mõõtmistulemusi ka mitmesugused muud häirivad tegurid. Esmajoones võib selleks olla gravitatsiooniallika võimalik pöörlemine ümber oma telje, mille gravitatsioonijõudu kahandav mõju tuleb allika läheduses samuti arvesse võtta. Nii kasutataksegi eestikeelses terminoloogias täpsustavat mõistet „raskusjõud", mis saadakse, lahutades Maa külgetõmbejõust Maa pöörlemisest põhjustatud tsentrifugaaljõu ehk kesktõukejõu väärtuse. Raskusjõus sisaldub ka teiste taevakehade gravitatsiooniline mõju. Näiteks võivad Kuu ja Päikese külgetõmbejõust põhjustatud ookeanide looded tõsta ja langetada merevee taset ööpäeva jooksul mitu meetrit.

Kehale mõjuvat raskusjõudu saab tuletada proovimassi kiirendusest. Siin tuleb kasuks üks teine Newtoni füüsikaseadus: kui proovimassil on kiirendus, siis peab sellele mõjuma ka jõud. Ilmne, et vabalangemises oleva keha puhul on selleks raskusjõud. Samas saab näidata, et raskusjõu mõjul liikuva keha kiirendus on sõltumatu keha massist. Seda väljendab ka Itaalia õpetlase Galileo Galilei sõnastatud kehade vaba langemise seadus: kõik kehad (vaba)langevad ühesuguse kiirendusega, sõltumata nende massist. Siit tuleneb ka raskuskiirenduse, st raskusjõust põhjustatud kiirenduse mõiste. Seega taandubki gravitatsioonivälja parameetrite määramise ülesanne gravitatsiooniallika mõjuväljas liikuva proovimassi - selleks võib olla ükskõik milline keha - raskuskiirenduse mõõtmisele. Seejärel on võimalik lahendada ka vastupidine ülesanne, mis vastaks küsimusele, kuidas ning missuguse kiirendusega hakkaks liikuma tuntud massiga keha paigutatuna suvalisse gravitatsiooniallikast väljapoole jäävasse ruumipunkti. Ilmne, et see küsimus on väga oluline kosmoseaparaadi liikumistrajektoori välja arvutamisel. Maa keskmine raskuskiirendus g = 9,8 m/s2. Sada korda tundlikum ühik on cm/s2, mida raskuskiirenduse esmauurija Galileo Galilei auks nimetatakse gall (tähistus Gal).

Arusaadavalt pole raskuskiirenduse mõõtmine tavatingimustel kuigi lihtne ülesanne, sest õhutakistus osutab vabalangemises olevale proovimassile vastupanu. Vabalangemise tingimuste tekitamiseks kasutatakse spetsiaalseid mõõteinstrumente - gravimeetreid, mille vaakumkambris mõõdetaksegi proovimassi raskuskiirendust. Et kokkuvõttes on võimalik mõõdetud raskuskiirenduse väärtustest välja filtreerida häirivad tegurid, näiteks Maa pöörlemisest tingitud tsentrifugaaljõu mõju, ning leida „ehe gravitatsioonikiirendus", kasutatakse siinses kirjutises gravitatsiooniväljale viitavat terminoloogiat.

 

Laseriga kosmosesse

Maa gravitatsioonivälja uurimiseks ei piisanud võimekusest läkitada ilmaruumi kosmoseaparaate. Läbimurdeks oli vaja kaasata asukohamäärangut toetav tehnoloogia, mis kosmoseajastu alguseks oli visandite tasemel õnneks olemas. Nimelt sai 1950. aastate lõpupoole jalad alla lasertehnoloogia. Eriti kasulikuks osutus asjaolu, et laserseadmete abil saab genereerida lühiajalisi, üksnes pikosekundeid (10-12 sekundit) või nüüdisajal koguni femtosekundeid (10-15 sekundit) kestvaid valgusimpulsse. Geodeesias on neid hakatud kasutama vahemaade täppismõõtmiseks. Selleks suunatakse valgussignaal tagasipeegeldavale reflektorile ning mõõdetakse signaali edasi-tagasi kulgemiseks kulunud aeg. Tulemus korrutatuna valguse kiirusega (300 000 km/s) annab laserinstrumendi ja reflektori kahekordse vahemaa. Ilmne, et signaali kulgemisaega tuleks mõõta lausa aatomikella täpsusega. Põhjustab ju näiteks pikosekundiline kellaviga mõõtmistulemusse umbes kolmemillimeetrise vea. Tuhandete kilomeetrite kaugusel kiirelt liikuvate objektide mõõtmise juures on oluline, et laserikiir oleks võimas ega hajuks.

Satelliitlasertehnoloogia

Nii töötatigi välja satelliitlasertehnoloogia (Satellite Laser Ranging, SLR), mille maapealne komponent koosneb võimsatest laserseadmetest ning kosmosekomponent reflektoritega varustatud tehiskaaslastest. Esimese peegelreflektoritega varustatud Ühendriikide tehiskaaslase Explorer 22 orbiidile jõudmine 1964. aastal võimaldas alustada SLR-mõõtmistega. Kuigi nüüdisajal leidub taolisi reflektoreid kümnetel satelliitidel - teiste hulgas GPS-navigatsioonisatelliitidel, samuti käesoleva kirjutise ajendiks oleval GOCE-satelliidil - on spetsiaalsetest geodeetilistest reflektor-satelliitidest tuntumad LAGEOS-satelliidid, mis saadeti orbiidile 1976. ning 1992. aastal.

Üle kogu maailma paiknevates vaatlusjaamades mõõdetakse sealtsamast lähetatud valgusimpulsside kulgemisaega kosmosereflektorini ja tagasi. LAGEOS-satelliitide kõrgus maapinnast on üle 5600 kilomeetri, liikumiskiirus maapinna suhtes 5,70 km/s, tiirlemisperiood 3,8 tundi. See oleks võrreldav olukorraga, kus niitpeenikese kiirega tuleks 56 kilomeetri kauguselt tabada viiesendist münti, mis liigub kiirusega 200 km/h. Tõeline snaipritöö, mille õnnestumiseks tuleks kasutada vastavaid abivahendeid.

Nii koosnebki maapealne SLR-vaatlusjaam teleskoobist, lasersignaali generaator-võimendist, kiirgurist ning tagasipeegeldunud signaali vastuvõtjast. Esmalt arvutatakse satelliitide eeldatavad asukohad mõõtmisperioodiks, seejärel programmeeritakse laserseadme sihikuks olev võimas teleskoop satelliidi eeldatavale trajektoorile. Kasutatavate impulsslaserite mõõtmisseeriad võimaldavad vaatlusulatuses kulgeva tehiskaaslase trajektooriosa pidevvaatlust. Paraku on LAGEOS-satelliitidel kasulikku mõõtmisaega vaid kümmekond minutit, madalamal orbiidil lendavate ning oluliselt „kiiremate" satelliitide puhul kahaneb mõõtmisaeg kõigest mõnele minutile.

Viimastel aastakümnetel on vahemaa mõõtmine satelliitlasertehnoloogiaga üha arenenud: täpsus on kasvanud algusaegade mõnest meetrist praeguse kolme millimeetrini. Keskkõrgustel, rohkem kui tuhat kilomeetrit maapinnast tiirlevaid satelliite on võimalik samaaegselt jälgida mitmelt mandrilt. See on seadnud kõrgemad nõuded ka kasutatavatele ajamõõtjatele, olles ühtlasi hea näide, et soovitud tulemuse saavutamiseks on tarvilik mitmete kõrgtehnoloogiate laitmatu koostöö. Sünkroonselt mitmest vaatlusjaamast samale satelliidile suunatavad laserikiired võimaldavad kindlaks määrata satelliidi täpse asukoha, seega ka selle vertikaalsuunalised kõrvalekalded esialgsetest orbiidiennustustest.

Satelliidi asukoha, seega ka Maa gravitatsioonivälja täpseks määramiseks peaksid laserseadmed paiknema võimalikult ühtlaselt üle kogu maakera, kusjuures vaatlusjaamade asukohad peaksid olema koordineeritud täpselt ning ühtses globaalses koordinaatsüsteemis. Seda polnud sugugi lihtne saavutada, kuna enne ülemaailmse asukohamääramise süsteemi (Global Positioning System, GPS) kasutuselevõttu lähtus asukohamäärang igas riigis nii-öelda omast nullist. Riikidevaheliste geodeetiliste koordinaatsüsteemide „loks" oli tihtilugu kuni mitusada meetrit. Õigupoolest kasutati satelliitlasertehnoloogia algusaastatel lasersatelliite ka vaatlusjaamade geodeetiliste koordinaatide täpsustamiseks.

Põhja-Eestile lähim SLR-vaatlusjaam asub Helsingi lähedal Metsähovis. Ka meie Läti kolleegid on oma SLR-mõõtmistega juba 1980. aastatest suutnud maailmatasemel kaasa lüüa.

Kosmosegravimeetrilised kaksiksatelliidid

Järgmine samm gravitatsioonivälja kaardistamisel on samaorbiidiliste satelliitide trajektooride võrdlemine. Nimelt saab lisaks radiaalsuunalistele trajektoorihälvetele mõõta ka orbiidil kulgevate satelliitide omavahelise kauguse muutumist. Seega on lisaks orbiidihälbe radiaalkomponendile võimalik mõõta ka piki orbiiti mõjuvaid gravitatsioonivälja anomaaliaid. See idee, mis pärineb juba 1960. aastatest, realiseeriti alles 2002. aastal GRACE kaksiksatelliitidega. Veel praegugi, tervelt kolm aastat pärast satelliitide planeeritud tööaja lõppu (!), tiirlevad GRACE-satelliidid tandemina ümber maakera. Tänu neile on teadmised Maa gravitatsioonivälja kohta viimastel aastatel oluliselt täpsustunud.

Gravitatsioonivälja kaardistamiseks jälgitakse satelliitide omavahelise kauguse muutumist ning määratletakse nende asukoht maapealsete objektide suhtes. Mida täpsemalt mõõdetakse satelliitide omavaheline kaugus, seda paremini õnnestub määratleda gravitatsioonivälja anomaaliad. Maalähedasel orbiidil, maapinnast 400-500 kilomeetri kõrgusel kulgevaid GRACE-satelliite lahutav mõnesajakilomeetrine vahemaa muutub pidevalt, kusjuures satelliitide raadioelektrooniliste vahenditega mõõdetakse seda kümnemikromeetrise täpsusega, mis on umbes kümnendik juuksekarva jämedusest. Satelliitide asukoha määramiseks ei pea enam kasutama ainuüksi SLR-tehnoloogiat, vaid see saavutatakse satelliitide GPS-seadmetega salvestatavate andmete geodeetilisest andmetöötlusest. Tõsi, mõlemale GRACE-satelliidile on paigutatud ka SLR-reflektorid.

Ka Euroopa uurib Maa gravitatsioonivälja

GRACE-projekti, nagu ka LAGEOS-projekti eestvedaja on NASA. Tänase teadmise kohaselt prognoositakse, et GRACE-satelliitide tööiga ammendub 2011. aastaks. Kuna gravitatsioonivälja täpsustamine, eriti aga selle resolutsiooni parendamine püsib jätkuvalt päevakorras, on Maa gravitatsioonivälja kaardistamisse otsustanud panustada ka Euroopa Kosmoseagentuur (European Space Agency, ESA).

Nii läkitatigi 2009. aasta märtsikuus Põhja-Venemaalt Plesetski kosmodroomilt orbiidile Maa gravitatsioonivälja seiresatelliit GOCE. Tehiskaaslase pardale paigutatud keerukas aparatuur võimaldab GRACEga võrreldes mitu korda täpsemaid gravimeetrilisi mõõtmisi. Mõõtmiste esmane eesmärk on globaalse gravitatsioonivälja andmete resolutsiooni parendamine 60-70 kilomeetrini.

GOCE

GOCE-satelliidi südameks on gradiomeeter - seade, mis mõõdab kiirendusmõõtja ehk aktseleromeetri abiga üliväikesi muutusi Maa gravitatsiooniväljas. Gradiomeeter koosneb kolmest ülitundlikust kiirendusmõõtjate paarist, kusjuures need paiknevad üksteise suhtes risti. Iga kiirendusmõõtja kujutab endast ühte väikest proovimassi, mis on paarisiseselt ühendatud poolemeetrise elastse vedruga.

Üks proovimasside paar on orienteeritud loodjoonesuunaliselt - seega risti maapinnaga. Et raskuskiirendus on pöördvõrdeline kauguse ruuduga, on ilmne, et maapinnast eri kaugusel paiknevatele proovimassidele mõjuv jõud on erineva väärtusega. Seega on ka proovimasside raskuskiirendused paarisiseselt erinevad. Mõõtes proovimasside vahemaa muutumist neid ühendava vedru pikenemise-lühenemise kaudu, saab tuletada raskuskiirenduse väärtuste erinevuse (gradiendi) poolemeetrisel vertikaallõigul.

Et satelliidi kulgemisega kaasnevad häirivad tegurid - näiteks atmosfääri hõõrdetakistus, aga ka kosmoselaeva kõrvalekalded „ideaalsest" tasakaaluasendist või Päikese kiirguse surve - mõjustavad mõlemat proovimassi täpselt ühtemoodi, on GOCE eeliseks asjaolu, et proovimasside vahelise vahemaa muutused kajastavad üksnes raskuskiirenduse varieerumist.

Sellest hoolimata tuleks gradiomeetri tulemuste usaldusväärsuse saavutamiseks tagada satelliidi sujuv ja häireteta liikumine. Kõrvalhäirete puudumine tagab gradiomeetri proovimasside stabiilsuse ning suurema tundlikkuse Maa raskuskiirendusvälja muutustele. Ilmne, et vabalangemises „rappuks" satelliit tervikuna tulenevalt Maa gravitatsiooniväljast ja muudest teguritest, mis omakorda mõjutaks ka satelliidi sisemuses paiknevaid proovimasse. Selle välistamiseks hoitakse GOCE-satelliiti mootori abiga ühtlases liikumises. Varjuküljena jääb GOCE eeldatav tööiga lühiajaliseks, sest satelliidi kütusevarud ammenduvad. Edasine järkjärguline lähenemine Maale kulmineerub satelliidi ärapõlemisega atmosfääri ülaosas.

Teine proovimasside paar on orienteeritud GOCE-satelliidi kulgemise suunas. Seega on siin üle võetud GRACE-satelliidi tööpõhimõte gravitatsioonivälja pikiorbiitse gradiendi mõõtmiseks. Selle paari mõõtmistulemused kajastavad ennekõike GOCE-satelliidi vahetult läbitud ning eesoleva maaosa külgetõmmet. Et satelliit kulgeb põhja-lõunasuunaliselt piki meridiaane, saab tulemusest hõlpsasti eemaldada Maa tsentrifugaalkiirenduse mõju.

Kolmas proovimasside paar on paigutatud risti GOCE orbiidi tasapinnaga. Selle paariga mõõdetakse gravitatsioonivälja n-ö põikorbitaalne komponent. Need mõõtmistulemused kajastavad ennekõike orbiidiga külgnevate maaosade, orbiidist ida- ja läänekaarde jäävate maa-alade külgetõmmet. Raskuskiirenduse gradiendi mõõtühik on eotvos.

Satelliidi igas orbiidipunktis saadakse üheaegselt Maa gravitatsioonivälja kõigi kolme gradiendi väärtused: radiaalkomponent ning põik- ning pikiorbitaalsed komponendid. Nende kombineerimine annab kuus üksteist täiendavat gradiendikombinatsiooni: viis neist on sõltumatud, kuues kontrolliks. See võimaldabki gravitatsioonivälja andmeid oluliselt täpsustada ning resolutsiooni parendada. Satelliidi täpsed asukohad tuletatakse satelliidi pardal oleva GPS-seadme andmete geodeetilisest töötlusest.

Mõõteriistade keerukus ning nende koostoimimise tagamine ongi põhjus, miks GOCE start planeeritust aastaid kauem aega võttis. Mõõteriistade keerukusest annab aimu ka see, et stardile järgnenud poolaastal toimus kalibreerimine.

GOCE andmete rakendusi

Üle pika aja on üks kosmoseaparaat pälvinud nii üldsuse kui ka interdistsiplinaarse teadlaskonna laialdase tähelepanu. Pakuvad ju GOCE andmed Maa gravitatsioonivälja ja ennekõike selle parameetrite ajalise muutumise kohta geoteadustele huvi mitmesuguste loodusnähtuste, nagu näiteks Maa siseehituse ja Maad vormivate protsesside uurimisel. Meie planeeti käsitletakse tänapäeval ju jätkuvalt areneva terviksüsteemina, mille tahke, vedela ja gaasilise osa vahel toimuvad ulatuslikud ja keerukad protsessid. Kokkuvõtvalt võib GOCE kaasa aidata Maa kui keeruka dünaamilise süsteemi paremale mõistmisele paljudes Maa ja teiste samasuguste taevakehade uurimisega seotud teadusharudes. Lootust on lisada usaldusväärseid andmeid kliimamuutuste debatti, mis üldiselt on tiine emotsioonidest. GOCE seiretulemused on asendamatud ka ookeani- ja kliimauuringutes, aidates paremini seletada näiteks mereveetaseme muutumist, ookeanivete ringlust ja jääliustikega toimuvat.

GOCE andmete praktilise rakendusena saab täpsustada Maa kuju. On ju Maa üsna korrapäratu, mistõttu on selle parim füüsikaline lähendus gravitatsioonilises tasakaalus olev pind ehk ekvipotentsiaalpind. Sellist pinda nimetatakse geoidiks. Geoid ühildub enam-vähem maailmamere keskmise nivoopinnaga ja vastab kõige täpsemini Maa kujule. Maa massi ebaühtlase jaotuse tõttu on geoidil võrdlemisi keerukas kuju, mis meenutab pigem pahklikku kartulit, mida Horisondi kauaaegsed lugejad võisid näha 2003. aasta kuuenda Horisondi kaanel.

Geoidi mudelil on suur tähtsus rakenduslike ülesannete lahendamisel, ennekõike kõrgusmäärangul. Näiteks kaardistamise tulemusena saadavad kõrgus- ja sügavusarvud tuleb esitada geoidi (merepinna) suhtes. Tänapäevased ülemaailmse asukohamäärangu ehk GPS-seadmed aga määravad kõrgused kokkuleppeliste mõõtmetega maaellipsoidi suhtes. Maaellipsoidi näol on tegemist korrapärase matemaatilise kujundiga. Et aga maaellipsoid lähendab Maa kuju väga üldistavalt, siis selle pinna suhtes arvutatud kõrgused mingisugust füüsikalist tähendust ei oma. Küll aga on võimalik geoidi ja maaellipsoidi pindade erinevust (geoidi kõrgus!) arvutada GOCE gravimeetrilistest andmetest. Teades geoidi kõrgust mõõtmispunktis, saadaksegi suhteliselt odavate GPS-mõõtmistega kõrgus merepinnast lihtsa liitmis- või lahutamistehtega.

Seega annab täpse ning kõrge ruumilise lahutatavusega geoidi modelleerimine võtme paljude praktiliste ülesannete lahendamiseks. Geoidi täpne mudel on esmajoones kasulik geodeetiliste inseneriülesannete teostamisel - näiteks kogu riiki hõlmavate objektide, nagu raud- ja maanteede või siis side- ja jõukaablite rajamisel ning haldamisel. Usaldusväärse geoidimudeli olemasolu aitab vähendada taoliste tööde kulutusi, samuti on sel oluline roll rajatiste ekspluateerimisel ning ohutuse tagamisel. Ühtlasi võimaldavad GOCE andmed arvutada ühesentimeetrise täpsusega ja kõrge ruumilise lahutatavusega globaalse geoidi mudeli. See oleks piisav, et panna alus universaalsele ülemaailmsele kõrgussüsteemile.

Nii polegi midagi imestada, et mitmed teadurite uurimisrühmad on juba mõnda aega nii-öelda madalstardis oodanud 2010. aasta juuli alguspäevi, mil GOCE andmed esmakordselt avaldatakse.

Eestile mõeldes

GOCE on üksnes osa Maa-uuringute programmist „Earth Explorer", mille Euroopa Kosmoseagentuur 1999. aastal käivitas. Paljud satelliidid on ette nähtud koguma süvendatud teadmisi meie planeedi geosfääridest. Iga taolise satelliidi prototüübi projekteerimisest kuni teadustulemuste saamiseni kulub aastakümneid. Euroopa Kosmoseagentuuris tingib seda suuresti vajadus saavutada konsensus kõikide liikmesriikide vahel. Samas võib sellisest viivitusest kasugi olla: läbirääkimisteks kulunud aja jooksul täiustub tehnoloogia ning osalejate võimekus projekte ellu viia. Näiteks GOCE-laadse satelliidi projekteerimist alustati juba 1980. aastate lõpus. Nii võiks äsja Euroopa Kosmoseagentuuri koostööriigi staatusesse jõudnud Eesti üldsus olla kannatlik, esimese Eesti osalusega teadussatelliidi üleslennutamine võtab kindlasti aega. Enne kümmet aastat - tingimusel, et me Euroopa Kosmoseagentuuriga ka liitume - seda oodata ei maksa. Samas hindas allakirjutanu 2003. aastal võõrsil viibides ja Horisondile GRACE-teemalist artiklit kirjutades Eesti võimalust lähemate sidemete loomiseks Euroopa Kosmoseagentuuriga üsnagi skeptiliselt. Viimaste aastate areng on aga autorile (ja ehk ka paljudele lugejatele) andnud rõõmustava põhjuse varasemate vaadete revideerimiseks.

Käesolev kirjutis on valminud Eesti Teadusfondi grandi ETF7356 Kosmosetehnoloogia rakendused geoidi ja gravitatsioonivälja täpsustamiseks Eesti alal tegevuse raames.

 

LOE VEEL

ARTU ELLMANN (1968) on lõpetanud Moskva Riikliku Geodeesia ja Kartograafia Ülikooli 1993. Pärast seda töötas mitmetel ametikohtadel Eestis. 2000-2004 oli Stockholmi Tehnikaülikooli (KTH) doktorant, aastast 2004 töötas teadurina Kanadas New Brunswicki ülikoolis. Praegu on ta Tallinna Tehnikaülikooli geodeesiaprofessor.

 

 

Ilmume ka e-ajakirjana: