Jelenlegi ismereteink szerint az egész Univerzumban a Föld az egyetlen égitest, amely megfelelő feltételeket biztosított az értelmes élet kialakulására. A feltételrendszer egyik sarkalatos szereplője a Föld tömegvonzása következtében kialakult gravitációs tér. A földi gravitáció szerepét mindennapjainkban, úgy gondolom, nem kell hosszasan taglalnunk. Mégis, ismereteink róla meglehetősen hiányosak.

Tanulmányaink során megtanultuk, hogy a gravitációs gyorsulás értéke 9,81 m/s2. Arra már csak utaltak oktatóink, hogy mégsem pontosan ennyi, értéke változik mind térben, mind időben. A változások mértékéről, illetve a változásokat kialakító geofizikai folyamatokról már nem igazán hallunk. Cikkünkben a változó gravitációs teret, az azt kialakító és befolyásoló folyamatokat, annak egy globális észlelési módját, valamint az észlelések eredményeinek értelmezési lehetőségeit tekintjük át említés szintjén a teljesség igénye nélkül. Bár a téma modern aspektusai hazánkban újnak mondhatók, az alapok megteremtésében nagyon sokat jelentett Izsák Imre munkássága.

A Föld tömegeloszlása és forgása egyértelműen meghatározza a gravitációs terének alakját, szerkezetét. A gravitációs tér változásai mögött minden esetben a tömegeloszlás megváltozása, tömegátrendeződés áll. A földi tömegátrendeződések folyamatait a 2. ábrán tekintjük át. A jelentősebb tömegátrendeződések közül néhányat alaposan megismertünk már, másokról többé-kevésbé jó elképzeléseink vannak, megint másokat alig-alig ismerünk. Jól ismert jelenségeknek számítanak a légkör tömegátrendeződései. Többé-kevésbé jól ismert és modellezett folyamatok zajlanak a hidroszférában (tengeráramlatok, hidrológiai folyamatok), ám ennek egyes jelenségei meglehetősen rosszul ismertek, így például a hótakaróval kapcsolatos jelenségek nagy része: hófelhalmozódás, hóolvadás, eljegesedések és jégolvadások, vagy az ezekkel kapcsolatos globális tengerszint emelkedés. A hidrológiai folyamatok között is akadnak jobban mérhető (és jobban is mért) mennyiségek, ilyen például a folyókon levonuló víz mennyisége, valamint kevésbé mérhető folyamatok, mint például a növények párologtatása.

A tömegátrendeződésekkel járó jelenségek pontos észlelhetőségének sok esetben a hely megközelíthetősége szab határt. Nem meglepő senki számára például, hogy az Antarktiszon nem egyszerű feladat megfelelő sűrűségben meteorológiai állomásokat telepítenünk, vagy hogy az óceán folyamatainak mérése is nehézkes annak hatalmas kiterjedése és mélységei miatt. A méréstechnológiailag megközelíthetetlen területek vizsgálatára különböző műholdas megoldások adnak lehetőséget. A működő műholdas eljárások rendszerét szemlélteti a 3. ábra. A Föld felszínének alakjáról a távolságmérési műholdak szolgáltatnak információt (ún. radar altimetria), az anyagi összetétel bizonyos komponenseinek (pl. víztartalom) megítélését el tudjuk végezni távérzékelési műholdak segítségével, de mind a mai napig nincs jó becslés a sűrűség globális viszonyaira, a teljes Föld tömegeloszlására, tehát a globális földi gravitációs erőtérre. Az eddigi becslések mindegyike meglehetősen inhomogén eloszlású méréseken alapult: a sűrűbben lakott területekről, így például Európáról jellemzően sokkal több adat áll rendelkezésre, mint az elhagyottabb vidékekről, példának okáért Grönlandról, Szibériáról vagy az Antarktiszról. Ezen változtatnak a gravimetriai műholdak. Bár nem tudják teljes egészében megoldani ezt a problémát, mégis jóval egységesebb megoldást nyújtanak, mivel az általuk észlelt adatok mennyiségének eloszlása pusztán a földrajzi szélesség függvénye, tehát egy-egy meridián mentén ugyanannyi és ugyanolyan minőségű észlelést végeznek.

A gravimetriai műholdak 2000-ben a német CHAMP fellövésével kezdték meg működésüket, amelyet 2002-ben a GRACE elnevezésű műhold páros követett. Ezek a műholdak várhatóan 8-9 évig észlelnek majd, de minimum 5 év mindkét projekttől elvárható (a CHAMP ezt már teljesítette). A műholdak mérési eljárásainak a hátterében a műhold szabadesése és az azt kiváltó gravitációs tér kapcsolata áll. A műholdak méréseinek feldolgozása korántsem egyértelmű tudományos feladat, évek óta foglalkoztatja a geofizikai és a geodéziai közösséget. Így, többek között a BME Általános- és Felsőgeodézia Tanszéke is részese a nemzetközi kutatásoknak.

A BME-n a kutatások a GRACE műholdakkal kapcsolatosak. Az általunk kifejlesztett eljárás az energia megmaradás törvénye alapján határozza meg a gravitációs erőteret. (További megoldásokat nyerhetünk például a Newtoni tömegvonzás felhasználásával). Az energia megmaradását a műhold belső energiájára értelmezzük, a műhold mozgási energiája a műhold sebességéből számítható. Így a megmaradás egyenlet értelmében a helyzeti energiát már meg lehet határozni. A helyzeti energia pedig függvénye a gravitációs gyorsulásnak, aminek térben és időben változó értékei megfelelően sok észlelésből meghatározhatók.

A tényleges megoldás ennél jóval összetettebb. A GRACE elnevezés két műholdat takar közel azonos pályán, ahol a két műhold között folyamatos távolságmérés történik (lásd 4. és 5. ábrák). Az energia megmaradás törvényének segítségével a két műhold belső energiájának a különbségével számolunk. Így a helyzeti energiák különbségeinek meghatározására adódik lehetőségünk, amely a gravitációs gyorsulás térbeli megváltozásainak meghatározását teszi lehetővé. Az eljárással egyelőre 4 hónapnyi GRACE mérést dolgoztunk fel. A feldolgozás során 10 másodpercenkénti pályaadatokat használtunk. A helyzeti energiakülönbségek idősorát a 6. ábra mutatja.

A GRACE műholdak kialakításáról és pályáikról tudni kell, hogy havonta egy globális gravitációs modell számítására alkalmasak. Az egymás utáni, hónapos felbontású modellek pedig jól megfeleltethetők a hosszabb periódusú, így például az éves változások egy-egy állomásának. Ez azt is jelenti, hogy a 4 hónapnyi adat oceanográfiai vagy hidrológiai alkalmazásokra túl rövid, az ebből számítható 4 modellből nem lehet reálisan a folyamatok alakulására következtetni. Viszont az eljárás alkalmasságának a tesztelésére megfelel. Az energia megmaradással nyert adatsort egyéb módon és más mérésekből meghatározott globális gravitációs modellekkel összehasonlítva látható, hogy a megoldás működőképes. Éles megoldásokra majd további mérési adatok esetleges beszerzése után kerülhet sor. A működőképesség bemutatására példaként a 7. ábrán az általunk meghatározott gravitációs együtthatók (ún. gömbfüggvény együtthatók) mátrixát, valamint más megoldásból nyert értékekhez képesti eltéréseit mutatjuk. Az ábrák értelmezéséhez jeleznénk, hogy a színskála logaritmikus beosztású, tehát az értékek 10 megfelelő hatványait jelentik. Így már látható, hogy az eltérések maguktól az értékektől jó két nagyságrenddel kisebbek.

Az űrgravimetria, vagy műholdas gravimetria egy új eljárás, aminek a célja, hogy a globális tömegátrendeződéseket kövesse nyomon. Ez nemzetközi viszonylatban új kihívást jelent az adatfeldolgozás és adatértelmezés területén. Összességében elmondhatjuk, hogy a BME-n elindított kutatások és fejlesztések jó úton vannak a GRACE műhold észleléseinek felhasználásában, de még korántsem oldották meg a feladatot.

Dr. Földváry Lóránt
BME Általános- és Felsőgeodézia Tanszék