Il satellite europeo produce la vista più dettagliata del campo gravitazionale terrestre. Le misurazioni ad alta precisione del campo gravitazionale terrestre da parte del satellite GOCE hanno prodotto la mappatura più dettagliata dei sottili cambiamenti nella gravità della superficie terrestre.
Sottili differenze gravitazionali sulla superficie terrestre vengono misurate, con una precisione senza precedenti, dal satellite Gravity Field e Steady-State Ocean Circulation Explorer (GOCE), costruito e gestito dall’Agenzia spaziale europea. I dati forniranno agli scienziati una base potente per ulteriori ricerche sulla circolazione oceanica, il cambiamento del livello del mare, la struttura e la dinamica dell’interno della Terra, nonché i movimenti delle placche tettoniche della Terra per comprendere meglio terremoti e vulcani.
GOCE è stato lanciato il 17 marzo 2009 dal Cosmodromo di Plesetsk nel nord della Russia. È stato portato in orbita da un missile balistico intercontinentale modificato (dismesso in seguito al Trattato di riduzione delle armi strategiche). Lo strumento principale per la raccolta dei dati del satellite è chiamato gradiometro; rileva variazioni molto piccole della forza gravitazionale mentre viaggia sulla superficie terrestre. C’è anche un ricevitore GPS (Global Positioning System) che funziona con altri satelliti per identificare forze non gravitazionali che possono influire su GOCE, così come un riflettore laser che consente a GOCE di essere tracciato da laser a terra.
Animazione del geoide GOCE. Credito: ESA.
Questa animazione di una Terra rotante “simile a una patata” mostra un modello molto preciso del geoide della Terra creato dai dati ottenuti da GOCE e rilasciato il 31 marzo 2011, al quarto workshop internazionale sugli utenti di GOCE a Monaco di Baviera, in Germania. I colori rappresentano deviazioni in altezza (da -100 a +100 metri) da un geoide “ideale”. I colori blu rappresentano valori bassi e rossi / gialli rappresentano valori elevati. Questo geoide non rappresenta le effettive caratteristiche di superficie sulla Terra. Invece, è un complesso modello matematico costruito dai dati GOCE che mostrano, in un modo molto esagerato, le relative differenze di gravità sulla superficie terrestre. Può anche essere pensato come la superficie di un oceano globale “ideale” modellato solo dalla gravità, senza l’influenza delle maree e delle correnti.
Scientificamente, un geoide è definito come una superficie equipotenziale, cioè una superficie sempre perpendicolare al campo gravitazionale terrestre. Un’illustrazione nella voce di Wikipedia su di esso, mostrata sotto, fornisce una descrizione di alto livello: nella figura, il filo a piombo (un peso attaccato a un cavo) in ogni posizione punta sempre verso il basso verso il centro di gravità della Terra. Pertanto, una superficie ipotetica che è perpendicolare a quella linea a piombo è una superficie geoide locale. Quando sono collegate matematicamente e calibrate a un livello medio del mare, quelle superfici perpendicolari in molte posizioni intorno alla Terra formano un geoide, un modello di come la gravità cambia sulla superficie della Terra.
Il “paesaggio” gravitazionale di un geoide si basa esclusivamente sulla massa e sulla morfologia della Terra. Se la Terra non ruotasse, se non ci fossero movimenti di aria, mare o terra, e se l’interno della Terra fosse uniformemente denso, un geoide sarebbe una sfera perfetta. Ma la rotazione della Terra fa sì che le regioni polari si appiattiscano leggermente, rendendo la Terra un ellissoide anziché una sfera. Di conseguenza, la forza di gravità è leggermente più forte ai poli rispetto all’equatore. Piccole variazioni della gravità sulla superficie terrestre sono causate da differenze nello spessore e nella densità della roccia della crosta terrestre, così come dalle differenze di densità e dalla convezione profonda all’interno della Terra.
Gli scienziati possono utilizzare il geoide ad alta risoluzione basato sui dati di GOCE come struttura di riferimento gravitazionale per altre indagini sulle scienze della Terra. La circolazione oceanica, i cambiamenti del livello del mare e lo scioglimento delle calotte glaciali – importanti indicatori per i cambiamenti climatici – causano variazioni nelle altezze della superficie oceanica reale che possono essere misurate da altri osservatori della Terra. Queste osservazioni, calibrate contro un buon modello di geoide, aiuteranno significativamente a comprendere meglio le dinamiche climatiche della Terra.
Le differenze di densità e la convezione nel mantello terrestre influenzano anche il campo gravitazionale. Ad esempio, il modello geoide di GOCE mostra una “depressione” nell’Oceano Indiano e “plateau” nel Nord Atlantico e nel Pacifico occidentale. I dati sulla gravità potrebbero mostrare le firme di potenti terremoti e vulcani, fornendo conoscenze che un giorno potrebbero aiutare gli scienziati a prevedere questi disastri naturali. Ci sono anche importanti applicazioni nei sistemi di geo-informazione, ingegneria civile, mappatura ed esplorazione che saranno arricchite da un modello geoide più raffinato.
Dal suo lancio nel marzo 2009, ad eccezione di un breve periodo per i controlli dei sistemi di veicoli spaziali e un guasto tecnico temporaneo, GOCE ha raccolto dati sul campo gravitazionale del nostro pianeta mentre orbita attorno alla Terra in direzione nord-sud (orbita polare), un’altitudine di soli 250 chilometri. Questo è insolitamente basso per un’orbita terrestre bassa, ma è necessario perché le migliori misurazioni sul campo gravitazionale si ottengono quando GOCE si avvicina il più possibile alla superficie terrestre pur mantenendo la sua orbita. La forma aerodinamica del satellite aiuta a stabilizzarla mentre sfiora il bordo dell’atmosfera, ma inevitabilmente, l’aria rarefatta causa un trascinamento sul satellite che la rallenta. Pertanto, per mantenere la sua velocità orbitale, GOCE usa il suo sistema di propulsione ionica per darsi una spinta occasionale.
La missione doveva originariamente durare 20 mesi, il tempo stimato che sarebbe occorso a GOCE per utilizzare tutto il suo combustibile. Ma un minimo di ciclo solare insolitamente silenzioso aveva assottigliato l’atmosfera superiore, riducendo la resistenza sul satellite, che permetteva di risparmiare carburante. Poiché ha ancora riserve di carburante, la missione è stata estesa fino alla fine del 2012, consentendo a GOCE di continuare a raccogliere dati che aumenteranno la già alta precisione delle sue misure di gravità.
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