Naukowcy z IGiG UPWr wyznaczyli środek Ziemi

Środka Ziemi – jako całej planety – nie jesteśmy w stanie pomierzyć bezpośrednio. Jednakże wiedza, gdzie się znajduje, jest kluczowa zarówno w praktyce inżynierskiej, ponieważ układy odniesień przestrzennych bardzo często zaczepione są w środku Ziemi, jak również w badaniu całej planety i zmian na niej zachodzących.

fot. Pixabay

Do znalezienia środka masy Ziemi możemy posłużyć się technikami pośrednimi, wykorzystując uniwersalne prawa fizyki. Jedno z praw Keplera mówi, że wszystkie ciała niebieskie orbitują po okręgach lub elipsach, przy czym w ognisku elipsy znajduje się środek masy ciała głównego. Do pomiarów środka Ziemi, czyli tzw. współrzędnych geocentrum, można zatem wykorzystać satelity orbitujące wokół Ziemi oraz precyzyjne obserwacje ich ruchu. W najnowszym artykule w „GPS Solutions” naukowcy z Instytutu Geodezji i Geoinformatyki UPWr wykorzystali po raz pierwszy na świecie obserwacje aż 80 sztucznych satelitów nawigacyjnych do wyznaczenia środka Ziemi. Wykorzystano 3 konstelacje satelitów: GPS, GLONASS i Galileo. Wcześniej takie badania nie były możliwe, gdyż system Galileo osiągnął liczbę 24 aktywnych satelitów dopiero pod koniec 2018 r. Dzięki temu przeprowadzone badania mają charakter nowatorskich i przełomowych w zakresie wyznaczania środka ciężkości Ziemi z dokładnością sięgającą pojedynczych milimetrów.

Przyczyny ruchu środka Ziemi
Większość procesów zachodzących w atmosferze ziemskiej, oceanach i pokrywie lodowej związana jest z transportem ogromnych mas. Wraz z tym ruchem przemieszcza się również geocentrum. Precyzyjny opis ruchu naturalnego środka mas Ziemi jest kluczowy w zakresie modelowania orbit sztucznych satelitów i interpretacji zmian klimatycznych na Ziemi. Należy pamiętać, że wszystkie sztuczne satelity Ziemi orbitują wokół tego samego naturalnego środka mas. Aby uzmysłowić sobie praktyczne konsekwencje niewłaściwej interpretacji ruchu geocentrum, można wskazać, że błąd w wyznaczeniu geocentrum równy 3 mm przekłada się na niepoprawne oszacowanie ubytku masy lodowców na Antarktydzie równe 200 mld ton.

Problemy w wyznaczaniu środka Ziemi
Opis ruchu geocentrum z wykorzystaniem systemu GPS od lat stanowił problem badawczy. Warto zwrócić uwagę, że opisujemy milimetrowy ruch środka mas naszej planety, obserwując ruch satelitów oddalonych o około 20 000 km od powierzchni Ziemi. Główny problem stanowi modelowanie sił działających w przestrzeni kosmicznej na satelitę i odseparowanie ich od ruchu geocentrum. Satelity podatne są na ciągłe działanie sił zewnętrznych – przede wszystkim związanych z ciśnieniem słonecznym, które działa na panele słoneczne oraz na korpus samego satelity.
W artykule naukowcy z IGiG opisali, jak modelowanie orbit satelitów GPS, GLONASS i najnowszego systemu Galileo wpływa na wyznaczenie współrzędnych środka Ziemi. Najbardziej problematyczną składową współrzędnych geocentrum okazała się składowa wzdłuż osi Z, która jest skierowana na biegun północny. Gdy orbity satelitów i ciśnienie słoneczne nie są dobrze modelowane, składowa Z ruchu geocentrum zawiera więcej błędów niż faktycznego sygnału geofizycznego spowodowanego cyrkulacją mas pomiędzy półkulą północną i południową. Naukowcy wskazali również, że dokładne dane na temat parametrów optycznych i fizycznych satelitów, które w 2017 r. opublikowała Europejska Agencja Kosmiczna, poprawiają jakość modelowania orbit oraz możliwość opisu ruchu geocentrum.

Awaria przy starcie Galileo okazuje się kluczowa w wyznaczaniu geocentrum
W przypadku konstelacji Galileo można zaobserwować bardzo nietypowe zjawisko. Jedna para satelitów Galileo została wystrzelona na nieprawidłowe, eliptyczne zamiast kołowych, orbity. Satelity te nigdy nie uzyskały statusu w pełni operacyjnych, lecz nadają sygnały, które są rejestrowane przez stacje naziemne. Okazało się jednak, że para satelitów na nieprawidłowej orbicie, która powstała w wyniku awarii rakiety Soyuz, zdecydowanie poprawia wyznaczanie współrzędnych środka Ziemi w konstelacji Galileo. Wynik ten był niespodziewanym, miłym zaskoczeniem dla naukowców.
W wyniku analiz okazało się ponadto, że współrzędne środka Ziemi najlepiej wyznaczać z wykorzystaniem dwóch konstelacji: GPS i Galileo. W artykule wykazano, że konstelacja GLONASS na chwilę obecną nie nadaje się do wyznaczenia współrzędnych geocentrum, gdyż niezależnie od przyjętej strategii modelowania orbity, błędy wynikające z ciśnienia słonecznego są większe niż sam ruch geocentrum.

Więcej informacji na temat wyznaczania współrzędnych geocentrum techniką GNSS znajdziemy w najnowszym artykule opublikowanym w czasopiśmie „GPS Solutions”:
Zajdel, R.; Sośnica, K.; Bury, G. (2021) Geocenter coordinates derived from multi-GNSS: a look into the role of solar radiation pressure modeling. GPS Solut 25, 1 (2021). https://doi.org/10.1007/s10291-020-01037-3

Źródło: IGiG UPWr