GRACE

Autore: Patrick L. Barry - Science@NASA

Traduzione: Flavio Gori

 

Un paio di satelliti inizieranno in breve tempo a rilevare anche leggere variazioni nel campo gravitazionale terrestre, permettendo ai ricercatori di tracciare, per la prima volta, i movimenti di grandi masse appena al di sotto della superficie del globo.

Se solo Isaac Newton fosse vivo oggi! Uno dei più grandi scienziati dell'umanità, scopritore della prima Teoria Scientifica sulla Gravità, sarebbe certamente felice di vedere l'esperiemento della NASA, battezzato Gravity Recovery And Climate Experiment (GRACE). La Missione userà appunto una coppia di satelliti per il rilievo di leggere variazioni nel campo gravitazionale del nostro pianeta.

Ai tempi di Newton, la maggior parte degli scienziati immaginava la gravità terrestre come costante in ogni luogo del mondo. D'altra parte questo pareva risultare dalle esperienze condotte ad ogni latitudine: le mele cadevano sempre verso il suolo.

Adesso sappiamo qualcosa di più. Il nostro pianeta è soggetto a piccole variazioni gravitazionali, inferiori all' 1%, per quanto importanti. Leggere variazioni nel campo gravitazionale, da un luogo ad un altro, possono dirci molto sugli oceani e l'interno della nostra Terra.

"Ogni mese, nell'arco dei 5 anni di vita del Progetto GRACE, avremo una mappa dettagliata del campo gravitazionale terrestre" dice Michael Watkins, uno scienziato del GRACE al Jet Propulsion Lab (JPL) della NASA a Pasadena in California. "Dovremmo essere in grado di vedere vari fenomeni che implicano lo spostamento di grandi masse al di sotto della crosta terrestre ed anche capire di quanto si muovono. Non ci sono altri sistemi scientifici che permettono di capire questi movimenti."

Ma come può GRACE misurare queste sottili variazioni di gravità dallo spazio? Dopo tutto i satelliti saranno in orbita intorno alla Terra, molto distanti dal luogo da misurare.

Per calcolare la gravità dalla sua posizione, GRACE userà una coppia di satelliti assolutamente identici, posti nella stessa orbita. Uno sarà più alto rispetto all'altro di 220 km. Orbitando in coppia intorno al nostro pianeta, le regioni terrestri dove si registreranno maggiori livelli gravitativi, influenzeranno prima il satellite più in basso perturbando la sua orbita prefissata. Tenendo sotto controllo continuo la distanza fra i 2 satelliti con un sistema ad alta precisione (i satelliti sono in grado di misurare una variazione di un micron, ovvero un cinquantesimo della larghezza di un capello), GRACE sarà in grado di rilevare le più piccole fluttuazioni nel nostro campo gravitazionale.

Le mappe così rilevate avranno una risoluzione spaziale di circa 300 km sul terreno. Gli scienziati si aspettano di rilevare una vasta serie di variazioni causate da masse di ghiaccio, montagne e placche oceaniche in movimento.
La struttura della Terra, schiacciata ai Poli ed allargata all'Equatore, sarà ben rappresentata sulla carta.

Grace sarà in grado di migliorare le esistenti misurazioni gravimetriche di circa 100 volte, aiutando i ricercatori a rilevare leggere variazioni.

Gli studi sulla dinamica oceanica trarranno grandi benefici. Per esempio, GRACE, permetterà di rilevare nuove informazioni sulla forma degli oceani del pianeta. Misurando libero da altre influenze, la superficie degli oceani tenderà a prendere la forma del Geoide, la superficie media immaginaria in cui la forza di gravità è uniforme in ogni punto.
L'altezza media delle acque, misurata dal satellite Topex-Poseidon, varia anche in funzione delle correnti a larga scala, oltre che per cause connesse con la temperatura delle acque. Lavorando insieme, GRACE e Topex/Poseidon, potranno eliminare questi effetti e dare una misurazione più precisa anche in queste situazioni critiche.

Dice Watkins" Un oceanografo vorrebbe sapere quanto della forma dell'oceano è dovuta al Geoide e quanto può essere dovuto a fattori connessi con l'oceano stesso, ad esempio le correnti. Dobbiamo sottrarre la componente del Geoide per ottenere questa parte oceanografica."

Grazie all'idea di valutare il contributo della Gravitazione, gli scienziati saranno in grado di raggiungere migliori soluzioni sulla temperatura e le correnti oceaniche, aspetti fondamentali per capire il clima globale.

Un ulteriore aspetto assai importante della Missione GRACE, secondo Watkins, è la possibilità di rilevare variazioni gravimetriche nel tempo. Possiamo immaginare la Gravità come un'ombra della massa e la massa è una componente cruciale delle equazioni che regolano molti fenomeni fisici. Sia che stiamo valutando sottili strati di ghiaccio, che flussi di falde acquifere, o lente correnti di magma nel profondo interno della Terra, se siamo in grado di avere misurazioni dirette della quantità di massa implicata, questo permetterà agli scienziati di raggiungere migliori conclusioni su questi importanti processi naturali.

"Potremo determinare, ad esempio, se il livello del mare sta salendo a causa dello scioglimento dei ghiacci o se invece accade perchè c'è un maggior afflusso da parte di fiumi o pioggia", dice ancora Watkins.

"Se misuriamo semplicemente l'altezza del livello delle acque con un altimetro, è difficile capire se si tratta di un aumento dovuto al volume o alla massa. GRACE ci farà avere l'informazione giusta anche in questi casi, per poter capire quello che effettivamente sta accadendo."

Naturalmente dobbiamo tenere presente che la Gravità non fa differenze su come le masse si formano, nè da cosa sono composte. Starà sempre agli scienziati studiare i vari fenomeni alla ricerca del giusto indizio. Uno di questi può essere sottrarre il moto dell'atmosfera. I meteorologi sono in grado di stimare la distribuzione delle masse nell'atmosfera, usando i dati prodotti dalle stazioni meteo intorno al mondo ed anche quelli forniti dai satelliti dedicati.
Queste stime mostreranno quanta parte delle misurazioni di GRACE sono dovute all'atmosfera, permettendo ai ricercatori di valutare la componente atmosferica e calcolari dati della superficie e sotto-superficie. Potranno così usare una serie di strumenti per dettagliare esattamente che tipo di massa è alla base del fenomeno rilevato da GRACE (acqua, ghiaccio o magma). Questi processi diversi hanno diverse caratteristiche nei tempi di scala. Le acque di superficie come i laghi ed i fiumi, producono più rapidi cambiamenti che non le correnti degli oceani; queste producono variazioni più rapide che non i profondi flussi di magma.

"Gli effetti delle correnti convettive nel mantello terrestre, potrebbero essere evidenziate in ogni luogo. Un evento potrebbe implicare un movimento di una massa a qualche centinaio di km sotto la superficie terrestre, sia al di sotto di un oceano che al di sotto del terreno. Ma non possiamo aspettarci che sia un cambiamento da un mese ad un altro. E bisogna sapere con una ragionevole certezza se il movimento è di carattere idrogeologico, se abbiamo una correlazione con le piogge, ad esempio," dice Watkins.

In altre parole gli scienziati useranno altre forme di informazione (come i dati sulle precipitazioni, conoscenza geografica e da altri satelliti) per meglio approcciare la leggera variazione del campo gravitazionale di cui saranno testimoni.

Deduzioni simili, sono una nuova scienza, secondo Watkins, ed i metodi per giungere alle conclusioni basati su GRACE porteranno a dati finali più raffinati.

Una volta che saremo in grado di determinare che la massa in movimento è dovuto, ad esempio, ad uno strato sottile di ghiaccio, gli scienziati potranno combinare questa conoscienza con altri dati in una sinergia che porterà a conclusioni altrimenti non raggiungibili.

"Se potremo distinguere fra un cambiamento volumetrico nel ghiaccio ed una variazione della massa ghiacciata", dice Watkins, allora la combinazione dell'altimetro Laser di Topex/Poseidon e GRACE sarà in grado di illuminare la questione molto meglio di quanto avrebbero fatto i due strumenti da soli.

GRACE potrà avvalersi anche del lavoro di altri satelliti. ICEsat, ad esempio, misurerà precisamente tutte le superfici ghiacciate, mentre un prossimo satellite che NASA manderà in orbita, AQUA, rivelerà le aree umide del pianeta.

"GRACE è davvero il solo strumento nello spazio in grado di dirci molto sulla quantità di acqua nel pianeta. Grazie ai dati combinati con AQUA potremo meglio lavorare sui cicli idrogeologici".

Le misurazioni di GRACE saranno combinati anche con molti tipi di dati rilevati in maniera tradizionale: scienziati al lavoro sul campo.

"La combinazione di questi gruppi di dati è quello che fa la differenza. Ormai la combinazione di dati rilevati in maniera diversa e riversati nei computer per analizzarli con i modelli teorici, è un sistema molto usato nella scienza moderna", dice ancora Watkins.

Misurando la gravità e le fluttuazioni delle masse in ogni parte del mondo, GRACE aggiungerà dati assai utili a quanto i ricercatori stanno già studiando sul clima e la geologia della Terra. Grazie a questa nuova possibilità GRACE segnerà un'importante punto di svolta nella ricerca che l'umanità sta conducendo sul campo gravitazionale terrestre che iniziò con Newton, tre secoli fa.