GOCE | Tiedetuubi

Maapallon painovoimakenttää mittaava GOCE toimi avaruudessa yli tuplasti sen mitä suunniteltiin: se teki tarkkoja mittauksiaan neljän vuoden ajan marraskuuhun 2013 saakka.

Vaikka sitä ei suunniteltu mittaamaan painovoimakentässä ajan myötä tapahtuvia muutoksia, tämä suunniteltua pitempi toiminta-aika teki tämänkin mahdollisesti. Tietojen avulla on nyt pystytty havaitsemaan miten läntisen Etelämantereen jääpeitteen hiipuminen on jättänyt jälkensä alueen painovoimakenttään.

Suurten jäämassojen aiheuttama vetovoima on selvästi havaittavissa painovoiman paikallisessa suuruudessa. Lisäksi esimerkiksi maapallon oma pyörimisliike, vuorijonot ja merten syvänteet näkyvät painovoimakartassa selvästi.

Uusien tulosten ansiosta maapallon painovoimakentästä on pystytty tekemään aiempaa parempi malli, mikä auttaa puolestaan hahmottamaan paremmin koko maapallon mittakaavassa niin Maan uumenissa olevaa kuorikerroksen ja vaipan välistä aluetta kuin yläilmakehän tiheyden muutoksia.

Jää vaikuttaa vetovoimaan

Saksan geodeettisen laitoksen, hollantilaisen Delftin teknillisen yliopiston, yhdysvaltalaisen Jet Propulsion Laboratoryn ja Saksassa olevan Münchenin teknillisen yliopiston tutkijoista koostunut ryhmä on käynyt läpi GOCEn Etelämantereesta marraskuun 2009 ja kesäkuun 2012 välisellä ajalla tekemiä tarkkoja mittauksia.

He huomasivat, että läntisen Etelämantereen jääpeitteen katoaminen vuosien 2009 ja 2012 välillä sai aikaan pudotuksen painovoiman suuruudessa.

Painovoimamittausten käyttäminen jäämassan muutosten arvioinnissa ei ole mitenkään uusi asia, sillä esimerkiksi Nasan ja saksalaisten yhteistyönä tekemä Grace tekee sitä ja sen on tarkoitus kartoittaa muutoksia vuosikymmenen ajan.

Gracen mittaustarkkuus on kuitenkin paljon huonompi kuin GOCEn, joten näistä tiedoista ei saada esiin yhtä tarkkoja yksityiskohtia ja siten GOCEn lyhemmän ajan aikana tekemät havainnot ovat erittäin kiinnostavia.

Tutkimuksen helpottamiseksi Antarktiksen jääpeite on jaettu valuma-alueisiin, jotta niiden muutoksia ja sulamista meriin voidaan paremmin seurata ja verrata eri alueiden kesken.

Kun tutkijat yhdistivät GOCEn tarkkuusmittauksia näistä valuma-aluista Gracen vähemmän tarkkoihin pitkäaikaismittauksiin, päästiin käsiksi varsin pieniinkin muutoksiin. Nämä kertovat paljon Etelämantereen valuma-alueiden dynamiikasta.

Erityisen kiinnostaviksi tulokset tulivat, kun niitä yhdistettiin ESAn CryoSat -satelliitin tekemiin mittauksiin jääpeitteen paksuudesta – tai tarkkaan sanottuna jääpeitteen pinnan korkeudesta, joka CryoSat mittaa tarkalla tutkakorkeusmittarillaan.

CryoSatin keräämät mittaukset näyttävät, että vuoden 2009 jälkeen läntisen Etelämantereen jääkato on kiihtynyt joka vuosi kolminkertaisesti. Vuosien 2011 ja 2014 välillä koko Etelämantereen jääpeitteestä on huvennut 125 kuutiokilometriä.

”Laajennamme parhaillaan GOCEn havaintojen käsittelyä kattamaan koko Etelämantereen aluetta”, kertoo Johannes Bouman Saksan geodeettisesta instituutista.

”Kun yhdistämme näitä tietoja CryoSatin mittausten kanssa, saamme paljon nykyistä tarkemman kuvan siitä mitä todella jäämassalle on tapahtumassa.”

Lue lisää Jääkato näkyy painovoimassa

Jari Mäkinen

Euroopan avaruusjärjestön GOCE-painovoimatutkimussatelliitti putosi odotetusti Maahan sunnuntain ja maanantain välisenä yönä. Tarkkaa paikkaa ei osattu sanoa etukäteen, koska lennon loppuvaiheissa oli paljon epävarmuustekijöitä (lue tarkempi juttu täältä) eikä GOCEa pystytty ohjaamaan tarkasti Maahan. Lopulta ilmakehän kitka sai siitä kuolettavan otteen noin 80 kilometrin korkeudessa klo 2:16 Suomen aikaa Falkland-saarten luona eteläisellä Atlantilla.

Bill Chater sai sattumalta kuvattua alaspäin palavina kappaleina putoa satelliitin iltahämärällä taivalla; kello oli 21:20 paikallista aikaa (2:20 Suomessa yöllä), kun hän oli ajamassa etelään ja huomasi "taivaalla savuvanan ja kirkkaan pisteen, joka hajosi kahteen osaan, ennen kuin hajosi uudelleen useampiin osiin kohti pohjoista lentäessään".

ESA on vahvistanut, että mitä todennäköisimmin GOCEn viime hetket päätyivät Chaterin kuviin.

Putoamista mallinnettiin Suomessa

GOCEn maahanpaluu oli erittäin kiinnostava tapaus radaltaan putoavasta, lähellä Maata kiertäneestä satelliitista. Eräs tärkeimmistä muuttujista tässä on ilmakehän yläosien tiheys, mihin vaikuttaa pääasiassa avaruussää.

Maailman parhaat avaruussääennusteet tehdään Suomessa Ilmatieteen laitoksella Euroopan ainoalla Maan magneettikehän simulaatiomallilla. Tutkija Tiera Laitinen ja tutkimusprofessori Minna Palmroth käyttivät sitä myös GOCEn paluun ennustamiseen, ja havaitsivat, että 29. lokakuuta alkaneet useat pienehköt avaruusmyrskyt kasvattivat tilapäisesti ilman tiheyttä GOCE-satelliitin radalla. Tämä lisääntynyt ilmanvastus nopeutti GOCEn vajoamista.

Kun GOCEn moottorin ajoaine loppui 21.10., satelliitti alkoi hiljalleen menettää korkeuttaan ilmanvastuksen vaikutuksesta. Se vajosi aluksi pari kilometriä päivässä, mutta 30.10. se laskeutui yht'äkkiä puoli kilometriä tavallista enemmän. Tämä aikaisti lopullista maahansyöksyä kuutisen tuntia. Syynä oli avaruusmyrsky.

Illalla 29.10. Maan magneettikenttää oli alkanut ravistella Auringosta lähtenyt massapurkaus. Sen synnyttämä magneettinen myrsky oli voimakkaimmillaan juuri 30.10., jolloin Suomessa sai ihastella runsaita revontulia etelärannikkoa myöten.

Revontulivalo syntyy avaruudesta satavien hiukkasten törmäillessä ilmakehän molekyyleihin, mutta samat hiukkaset potkivat myös elektroneja irti molekyyleistä, eli ionisoivat yläilmakehän ilmaa. Tällöin ilman sähkönjohtavuus vähän yli 100 km:n korkeudella kasvaa ja siellä kulkevat sähkövirrat voimistuvat. Sähkövirta puolestaan kuumentaa ilmaa, joka sitten laajenee ylöspäin ja samalla nostaa koko yläpuolellaan olevaa ilmakehän osaa.

Sen sai GOCEkin tuntea kuorissaan: ilman tiheys sen ratakorkeudella, tuolloin noin 220 km, kasvoi parin päivän ajaksi noin 12 %. Uudelleen avaruussään aiheuttamat tiheysvaihtelut häiritsivät satelliittia vielä ainakin 7. ja 9.11., jolloin se oli jo alle 200 km:n korkeudessa putoamassa yhä nopeammin alaspäin.

Suomalainen avaruussäämalli voisi tarkentaa putoamisennusteita

GOCEn vajoamisen aikana Ilmatieteen laitoksen tutkijat seurasivat avaruussään kehitystä reaaliaikaisesti Maan magneettikehän simulaatiomallilla, joka laskee myös ilmakehässä kulkevat sähkövirrat.

"Satelliitin rata notkahtaa juuri silloin, kun simulaatio näyttää voimakasta yläilmakehän lämmitystä. On hienoa nähdä, kuinka hyvin mallimme sopii yhteen havaintojen kanssa", iloitsee Tiera Laitinen. "Meillä on vielä selvitettävää siinä, kuinka napa-alueilla tapahtuvasta lämmityksestä lasketaan ilman tiheyden muutokset eri korkeuksilla ja eri osissa maapalloa."

"Myös Euroopan avaruusjärjestö ESA on kiinnostunut tuloksistamme", jatkaa Minna Palmroth. "Tulevaisuudessa haluamme toimittaa reaaliaikaista avaruussäätietoa ESAlle niin, että he voivat tarkentaa avaruusromun ja satelliittien ratojen laskentaa mallimme avulla."

Alla olevalla videolla Minna Palmroth kertoo Ilmatieteen laitoksen avaruussäätutkimuksesta ja siellä olevan ryhmän kehittämästä Vlasiator -tietokonesimulaatiosta. Vuonna 2008 Palmroth sai arvostetun Euroopan tutkimusneuvoston (ERC) starttirahoituksen, jonka avulla hän perusti kansainvälisen seitsenhenkisen tutkimusryhmänsä. Video on kuvattu 21.03.2013 Suomen Akatemiassa.

Pohjana artikkelin loppuosassa on käytetty Ilmatieteen laitoksen tiedotetta.

ESA:n GOCE-satelliitti kesti avaruudessa pitempään kuin toivottiin ja se onnistui tehtävässään paremmin kuin uskottiin. Tämän maapallon painovoimakenttää hyvin tarkasti ja sen havaintojen perusteella tiedetään nyt millainen on oman kotiplaneettamme tarkka muoto – ei, se ei ole aivan täsmälleen pallo, vaan hieman muhkurainen sellainen.

Jotta GOCE olisi pystynyt mittaamaan painovoimaa hyvin tarkasti, oli se epätavallisen matalalla kiertoradalla, vain noin 250 km korkealla. Koska sielläkin on vielä vähän ilmakehän rippeitä, piti satelliitista tehdä hieman aerodynaaminen ja sen ratanopeutta täytyi koko ajan pitää yllä pienellä rakettimoottorilla.

Nyt painovoimamittauslaitteistoa, joka on itse asissa erittäin tarkka kiihtyvyysmittari, käytetään apuna Maahan putoamisen tarkkailussa: saatujen mittausten mukaan GOCEa hidastava ilmakehän kitka on nyt noin 90 mN ja se kasvaa koko ajan. Lennonjohto on yhteydessä satelliittiin, joka toimii normaalisti, ja pystyy hallitsemaan sen lentoa – paitsi että polttoaineen loppumisen vuoksi sen rakettimoottoria ei voi käyttää.

Tuorein ennuste putoamisajasta on edelleen sunnuntain ja maanantain välinen yö.

Mitä selviää pinnalle?

Kun satelliitti laukaistiin, tiedettiin jo varmasti, että sitä ei voida ohjata tehtävän päätyttyä tuhoutumaan Maan ilmakehässä samaan tapaan kuin esimerkiksi ATV-rahtialukset. Niissä on voimakkaat ratamuutoksia varten tarkoitetut moottorit, mutta GOCE oli liian pieni, jotta siinä olisi voinut olla isompi moottori.

Samalla GOCE on sen verran suuri, että siitä selviää ilmakehän kitkakuumennuksen jälkeen pieniä osia Maan pinnalle saakka.

"Vain pieni osa, noin 20% eli noin 200 kg, satelliitin alkuperäisestä massasta putoaa pinnalle", kertoo ESAn avaruusromua tutkivan toimiston johtaja Heiner Klinkrad ESAn Rocket Science -blogissa.

"Tämä massa on jakaantuneena kymmeniin pieniin osiin, jotka leviävät laajalle aluelle maahanpaluuradan alueella."

Yhtä lailla tiedetään, että joka vuorokausi Maan ilmakehään törmää luonnollisesti 100-210 tonnia ainetta avaruudesta, ja isompia kappaleita on kymmeniä tuhansia vuodessa. Vajaan tonnin painoinen GOCE on hyvin mitätön näihin verrattuna.

Useita kertoja vuodessa uutisissakin kerrotaan tulipalloista, hyvin kirkkaista tähdenlennoista, jonka syntyvät meteoroidin törmätessä meihin. Joistakin niistä jää jäljelle myös kiinteitä, pinnalle saakka selviäviä kappaleita, mutta niistäkin suurin osa putoaa huomaamatta valtameriin, aarniometsiin tai autiomaihin.

Satelliitteja, kantorakettien osia ja muita ihmisen tekemiä laitteita putoaa Maahan säännöllisesti, noin 100 tonnia vuodessa, mutta vain noin kerran vuodessa suurempi avaruusalus törmää ilmakehään hallitsemattomasti.

"Riski GOCEn puotoamisesta on ihmisille erittäin pieni", jatkaa Heiner Klinkrad. "Tilastollisesti on 250 000 kertaa todennäköisempää voittaa lotossa kuin olla paikassa, mihin GOCEn osa putoaa. Näinä 56 vuotena, jolloin avaruuslentoja on tehty, ei yksikään ihmisen tekemä ja Maahan pudonnut kappale ole aiheuttanut edes loukkaantumista."

GOCEn kaltaisia, ilman voimakkaita rakettimoottoreita olevia tutkimussatelliitteja laukaistaan kaikista maista koko ajan, koska riski niiden putoamisesta asutuille alueille on häviävä pieni. Satelliittien lähettäjät ovat silti aina vastuussa niiden putoamisen mahdollisesti aiheuttamista vaurioista.

ESAlle tämä on kuitenkin ensimmäinen hallitsematon satelliitin maahanpaluu 25 vuoteen. Sen tavoitteena on luonnollisesti saada tulevaisuudessa kaikki satelliitit sellaisiksi, että ne voidaan tuhota tehtävänsä päätteeksi vaarattomasti. Sitä mukaa kun avaruustoiminta lisääntyy, kasvaa myös riski sille, että putoavan satelliitin osa voisi osua johonkin.

Milloin ja minne?

Koko ajan tarkkenevan arvion mukaan GOCE putoaa alas radaltaan siis sunnuntain 10.11. ja maanantain 11.11. välisenä yönä (Suomen aikaa). Satelliitti putoaa parhaillaan noin kahdeksan kilometriä vuorokaudessa alemmas ja ilmakehän ote siitä tiukkenee jatkuvasti. GOCEn radan keskikorkeus nyt lauantaina oli jo noin 160 km. Lauantain kuluessa sen oletetaan putoavan jo 13 kilometriä ja sunnuntaina vielä enemmän.

"Kun GOCE on alle 100 kilometrin korkeudessa, ilman tiheys on jo sen verran suuri, että se alkaa hidastaa olennaisesti noin 25 000 kilometriä tunnissa kulkevan GOCEn nopeutta", Klinkrad jatkaa. "GOCE putoaa alaspäin ja ilman aerodynaaminen paine ja kitkakuumennus rikkovat GOCEn oletettavasti noin 80 km:n korkeudessa."

Tuloksena on suuri määrä irtonaisia osia, jotka edelleen hajaantuvat pienemmiksi osiksi, joista suurin osa tuhoutuu tähdenlentojen tapaan jo korkealla ilmakehässä. Eräitä pinnalle saakka sinnitteleviä osia ovat todennäköisesti xenon-polttoaineen säiliö ja sille painetta antaneen typen säiliö, gravimetrit, tähtietsimet sekä rakettimoottorit. Ne näkyvät hyvin otsikkokuvassa.

ESA seuraa jatkuvasti GOCEn rataa ja on edelleen yhteydessä satelliittiin. Arvio putoamisajasta täsmentyy koko ajan, mutta siihen liittyy monia tekijöitä, joihin ei voida vaikuttaa: tärkeimpiä ovat yläilmakehän tiheyteen vaikuttava Auringon aktiivisuus sekä GOCEn ohjauslaitteistojen toiminta putoamisen aikana ja siten satelliitin asento.

Kun putoamispaikka tiedetään tarkasti, ESA tulee tiedottamaan siitä kyseisen alueen viranomaisia välittömästi. Tieto välitetään myös kaikille ESAn jäsenmaille. ESAn lisäksi kansainvälinen avaruusromun koordinointikomitea (Inter-Agency Space Debris Coordination Committee) seuraa GOCEn putoamista ja ryhtyy tarvittaessa toimiin.

GOCEa tarkkaillaan sen lähettämien tietojen lisäksi tutkilla ja optisesti. Sen voi havaita myös harrastajateleskoopeilla, kuten belgialainen Ralf Vandebergh on tehnyt: alla olevassa, ESAn Rocket Science -blogissa julkaistussa kuvassa on GOCE 22. syyskuuta 2013 Alankomaista kuvattuna.

blogi

ESA

esablog

GOCE

Heiner Klinkrad

Lue lisää Kohta GOCE putoaa

Mihin GOCE putosi? (päivitetty 11.11.)

Jari Mäkinen

Päivitys maanantaina 11.11. aamulla maahanpaluun jälkeen:
GOCE putosi radallaan viikonlopun aikana alaspäin ennusteiden mukaisesti ja sunnuntaina sen putoamisnopeus vain kiihtyi sitä mukaa, mitä alemmaksi se tuli ja mitä tiheämmäksi yläilmakehän ohut ilma tuli. Satelliitti oli toimintakunnossa loppuun saakka ja vielä klo 0:42 Suomen aikaa siihen oltiin yhteydessä Trollin satelliittiasemalta Etelämantereelta. Silloin se oli 120 kilometrin korkeudessa, mutta ilmakehän kitka kuumensi sitä jo olennaisesti: esimerkiksi keskustietokoneen lämpötila oli noussut 80°C:n tasolle ja akku oli 84°C:n lämpötilassa.

ESA enää toivonut saavansa tuolloin yhteyttä, mutta satelliitti vain pinnisteli. Kenties sen aerodynaaminen muoto sai sen putoamaan hieman hitaammin kuin ennusteet sanoivat. Silti painovoima sai pian yhteyden jälkeen painovoimatutkijasta otteen, ja se putosi Maahan seuraavalla kierroksellaan, oletettavasti noin klo 2.16 Suomen aikaa.

Putoamispaikka on todennäköisesti eteläinen Atlantin valtameri Etelä-Amerikan ja Etelämantereen välillä (pitkäksi kuten itse alla olevassa perjantaisessa jutussamme jo oletettiin).

Lähde: www.satflare.com

Alkuperäinen artikkeli:

Monissa jutuissa ja puheissa on kuluvalla viikolla ihmetelty sitä, miksi putoamisaikaa ja -paikkaa on niin vaikeata määrätä. Joskus tuntuu siltä, että monet eivät halua hyväksyä sitä, että maailma on yhä edelleen varsin monimutkainen, emmekä me ihmiset pysty yksinkertaisesti kaikkeen vaikuttamaan.

GOCEn putoamisen tapauksessa suurimpia epävarmuuksia on kaksi: Auringon aktiivisuus ja satelliitin asento. Käydään seuraavassa näitä tarkemmin läpi.

Ilmakehä suojaa meitä

Lähtökohta on se, että planeettaamme ympäröivä ilmakehä on erinomainen suoja meihin törmääviä luontaisia tai ihmistekoisia kappaleita vastaan. Meteorit ja satelliitit loistavat taivaalla kauniina tähdenlentona, ja tuhoutuvat yleensä siellä kokonaan. Jos kappale on kookas tai jos siinä on kuumuutta hyvin kestävää ainetta (kuten rakettimoottoreita tai polttoainetankkeja), osia törmäävästä kappaleesta saattaa pudota pinnalle saakka. Meteorin kopsahtaminen takapihalle on todennäköisempää kuin avaruusaluksen palasen saaminen pihapiiriin, koska Maahan törmää paljon enemmän aurinkokunnassa haahuilevaa ainetta kuin ihmisen avaruuteen taivaalle sinkoamia laitteita. Maan ilmakehään osuu vuorokaudessa ajankohdasta riippuen 10–210 tonnia ulkoa avaruudesta tulevaa ainetta, mihin verrattuna tonnin painava GOCE ei ole mikään iso asia.

Tyypillisesti törmääjät alkavat hohtaa ilmanvastuksen vuoksi noin 100 kilometrin korkeudessa, vaikka siellä ilmaa on hyvin, hyvin vähän. Mitä alemmaksi kappale vajoaa, sitä enemmän se kuumenee ja sitä kirkkaammin se loistaa valoa, kunnes ilma tulee niin tiheäksi, että ilmanvastus kärventää kappaleen kokonaan - ellei se ole hyvin iso tai tehty kestämään kuumuutta.

Se, että ilmakehällä ei ole tarkkaa ylärajaa, vaan se hiipuu vähitellen vain pois, saa aikaan myös sen, että satelliittien ratanopeus korkeallakin hidastuu hyvin pienen ilmanvastuksen vuoksi koko ajan. Jopa lähes 500 kilometrin korkeudessa oleva avaruusasema putoaa vähitellen alaspäin ja sitä pitää nostaa rakettimoottoreilla ylemmäs.

GOCE on aerodynaaminen

Hyvin matalalla lentänyt GOCE oli tehty hieman aerodynaamiseksi tämän pienenpienen ilmanvastuksen vuoksi. Silti sekin joutui lykkimään itselleen koko ajan lisää vauhtia pienellä rakettimoottorillaan. Sen sähkörakettimoottori toimi kuin perämoottori veneessä, joka koittaa pysytellä paikallaan virrassa.

Se, kuinka paljon tuolla noin 100 kilometrin korkeudessa on ilmaa ja kuinka paljon se hidastaa ratanopeutta, riippuu muun muassa Auringon aktiivisuudesta. Esimerkiksi auringonpurkaus syöksee kohti Maata hiukkasia, jotka saavat yläilmakehän aktiiviseksi (mistä yksi merkki ovat revontulet), ja se saa ikään kuin ilmakehän laajenemaan.

Kuvassa näkyy ilmakehää maapallon pinnan yläpuolella, sen "päällä" oleva hohde - Auringon säteilyn ohuessa yläilmakehässä aikaansaama heikko valoilmiö – sekä Maahan törmännyt meteori avaruusasemalta nähtynä.
Ensimmäinen epävarmuustekijä GOCEn putoamisnopeutta arvioitaessa on siis Auringon aktiivisuus, joka muuttuu hieman koko ajan. Samaan tapaan kuin revontulia on vaikea ennustaa 100% varmasti, ei Auringon aktiivisuuden vaikutusta yläilmakehän tiheyteen osata kuin arvioida karkeasti etukäteen. Siinä on myös pieniä paikallisia eroja.

ATV putosi hallitusti, GOCE tulee vain osittain hallitusti

Kun aluksessa on toimiva rakettimoottori, joka on suunniteltu vielä ratamuutosten tekemiseen, ei mitään ongelmaa ole alas putoamisessa. Tästä hyvä esimerkki on nyt viikon alussa Maahan pudotettu ATV-rahtialus: se pystyttiin pudottamaan hyvin tarkasti haluttuun aikaan ja paikkaan sopivasti ajoitetulla rakettimoottorien poltolla. Kun alus voidaan sysätä putoamaan halutusti tarpeeksi nopeasti ja suuressa kulmassa alaspäin, voidaan kokemuksen ja ratalaskujen perusteella tähdätä haluttuun paikkaan.

Tällä kerralla ATV:n pudottamisen kanssa jopa hidasteltiin tietoisesti. Järjestyksessään jo neljäs eurooppalainen avaruusrahtari irrottautui Kansainvälisestä avaruusasemasta 28. lokakuuta, mutta sitä ei ohjattu putoamaan saman tien Tyynen valtameren eteläisiin osiin, missä on hyvin vähän liikennettä ja asutusta, ja mitä siksi käytetään usein avaruusalusten hautausmaana. Sen rataa laskettiin hieman alemmaksi ja se pudotettiin ilmakehään vasta silloin, kun avaruusaseman miehistö pystyi kuvaamaan putoamista hyvissä olosuhteissa. Valokuvien avulla opitaan yhä enemmän siitä, miten alus tuhoutuu ilmakehään palatessaan. Mitkä osat tuhoutuvat nopeimmin, mitkä irtaantuvat erikseen milloinkin, mitkä kestävät pisimpään ja niin edelleen. Näiden tietojen avulla voidaan kehittää aluksia, jotka tuhoutuvat yhä paremmin – koska kaikkia aluksia ei voida pudottaa hallitusti.

Kuvassa on ATV:n tuhoutuminen kuvattuna avaruusasemalta. Myös GOCE tulee hajoamaan osiin ja putoamaan tähtisateena alaspäin, mutta vain isoimmat osat selviävät maan pinnalle.
GOCEn tapauksessa aluksen asentoa voidaan (ainakin tällä haavaa) hallita, mutta sitä ei voida pudottaa alas haluttuun paikkaan. Sen polttoaine on loppu, eikä sen moottori olisi ollut siihen edes tarpeeksi voimakas.

Mitä alemmas se putoaa kiertoradallaan, sitä voimakkaammin ilmavastus ottaa siitä kiinni, ja sitä nopeammaksi putoaminen tulee, kunnes rata kaareutuu yhä enemmän ja enemmän alaspäin – ja lopulta GOCE tulee alas. Ja tämä siis riippuu ensinnäkin ilmakehän tiheydestä, ja toiseksi GOCEn asennosta. Mikäli se pysyy pitkittäin, se putoaa alaspäin kuin tikka ja siitä todennäköisesti selviää pinnallekin enemmän osia. Jos aerodynaamiset voimat heittävät sen taas sivuluisuun, niin se putoaa paitsi nopeammin, niin myös hajonnee enemmän osiin ja siten suurempi osa siitä tuhoutuu. Jos se taas alkaa viipottaa ja pyöriä kuin epävakaa lentokone, on tulos jostain näiden väliltä.

Se, milloin lopullinen putoaminen "alkaa" ja kuinka "suoraan alas" GOCE tulee, ovat siis hyvin epävarmoja. Tämänhetkinen arvio on sunnuntain alkuilta tai maanantaiaamu. GOCE on nyt alle 170 km:n korkeudessa ja vajoaa noin 5 km vuorokaudessa (päivitys lauantaina amulla: GOCE putoaa nyt noin 8 km vuorokaudessa).

Suomeen vai Sudaniin?

Minne sitten mahdollisesti GOCE voisi pudota? Valitettavasti melkein minne vain. Se kiertää Maata kiertoradalla, joka kulkee lähes maapallon napojen kautta, koska se on suunniteltu lentämään maapallon joka paikan yläpuolelta. Samalla kun GOCE kiertää radallaan, pyörii maapallo ympäri akselinsa ympäri, ja siten tasokartalle piirrettynä GOCEn rata poukkoilee aaltomaisesti pohjoisesta etelään. Keskimäärin se kulkee yhden paikan päältä joka kolmas vuorokausi, ja rataa voidaan laskea lähes loputtomasti eteenpäin – jos vain ratakorkeus ja -nopeus pysyvät samana.

Nyt rata muuttuu koko ajan, joten tänään laskettu ratakartta ei päde enää huomenna. Ja vaikka nyt voidaan laskea, että GOCEn rata veisi myös Suomen päältä maanantaina (jopa Helsingin yli!), tulee rata muuttumaan sen verran, että laskelmalla on vain viihdearvoa.

Ja vaikka rata veisikin putoamisen aikaan Suomen tienoiden päältä, kannattaa muistaa, että yksi kierros Maan ympäri on noin 40000 km ja siitä Suomen osuus (pituussuunnassa) on 1100 km. Ja kun Suomesta suurin osa on autiota, niin GOCEn sijaan kannattaa pelätä jotain muuta.

Mitä alemmaksi GOCE putoaa ja mitä lähemmäksi putoaminen tulee, sitä paremmin lopullinen putoamispaikka voidaan arvioida. Noin vuorokautta aikaisemmin voidaan jo sanoa hyvin suurella todennäköisyydellä alueet, minne se ei ainakaan tule putoamaan. Lopullinen putoamispaikka lienee selvillä vasta muutamia tunteja ennen tapahtumaa.

Todennäköisimmin GOCE pulahtaa Tyynen valtameren, Intian valtameren tai Atlantin eteläosiin, sillä ne ovat varsin laajoja merialueita. Lisäksi GOCEn rata on hieman soikea ja radan Maata lähin piste on etelässä, ja silloin todennäköisimmin putoaminen alkaa oikeasti.

Lue lisää GOCEsta ja sen tuloksista Tiedetuubin aikaisemmasta artikkelista.

Painovoimatutkija putoaa pian alas

.
Maapallon painovoimakenttää maaliskuusta 2009 mitannut ESAn GOCE-satelliitti on päättämässä toimintaansa avaruudessa. Se suunniteltiin toimimaan alun perin vain 20 kuukauden ajan, mikä olisi riittänyt hienosti siihen, että GOCE olisi voinut mitata erittäin tarkasti painovoimakiihtyvyyden joka puolella planeettaamme.

Koska niin satelliitti itse kuin sen mittalaitekin, niin sanottu gravimetri, toimivat moitteetta, annettiin GOCEn hyrrätä niin kauan kuin mahdollista.

Syy, miksi GOCE joutuu nyt lopettamaan toimintansa, on hyvin yksinkertainen: siltä loppuu polttoaine.

Satelliitti on kiertänyt Maata hyvin matalalla kiertoradalla, noin 225 kilometrin korkeudella, jotta sen mittaukset olisivat mahdollisimman hyviä. Tuolla korkeudella ilmakehä on jo kaukana alapuolella, mutta siellä on silti hyvin ohutta kaasua, mikä hidastaa koko ajan satelliitin kiertoratanopeutta. Jotta se pysyisi oikealla radallaan, tulee vauhtia pitää yllä pienellä rakettimoottorilla, joka puskee satelliitille lisää nopeutta saman verran kuin ilmanvastus sitä vähentää.

Jotta ilmakehän ripeiden aiheuttama ilmanvastus olisi mahdollisimman pieni, muotoiltiin GOCE myös pitkäksi, aerodynaamiseksi puikulaksi. Se näyttää lähes yliäänilentokoneelta siipimäisine aurinkopaneeleineen ja pienine peräsimineen. Rakettimoottorina GOCEssa oli erittäin polttoainetaloudellinen ionimoottori, eli sähköinen työntövoimalaite, joka kiihdyttää aurinkopaneeleista tulevalla virralla xenon-kaasua hyvin suureen nopeuteen.

Mukaan oli pakattu 40 kiloa xenonia, joka onnistuneen lennonsuunnittelun ja pihin ajotavan ansiosta on riittänyt paljon kaavailtua pitempään. Mutta nyt xenon-tankki alkaa olla siis tyhjä, ja lokakuun puolivälissä löpö loppuu. Niinpä GOCE ei enää pysty pitämään yllä tarvittavaa ratanopeutta. Se alkaa vajota radaltaan alaspäin, ja mitä alemmas se tulee, sitä voimakkaammin ilmakehä ottaa siitä otettaan, kunnes lopulta se putoaa maahan.

GOCE on noin 5,3 metriä pitkä ja metrin halkaisijaltaan oleva putkilo, mihin on kiinnitetty pitkittäin rungon suuntaan olevat aurinkopaneelit molemmin puolin. Massaa satelliitilla on hieman yli tonnin verran.

Näin pieni satelliitti tulee tuhoutumaan lähes kokonaan ilmakehän kitkakuumennuksessa, mutta on mahdollista, että muutamat kestävimmät kappaleet selviytyvät osittain tulipätsistä ja putoavat pinnalle saakka.

Näin tapahtuu arvioiden mukaan noin kolmen viikon kuluttua polttoaineen loppumisesta, eli marraskuun alkupuolella. Tarkkaa aikaa ei voi laskea, koska putoaminen riippuu monesta eri tekijästä: tärkein vaikuttava asia on yläilmakehän kaasuntiheys, joka vaihtelee esimerkiksi Auringon aktiivisuuden mukaan. Kun Aurinko on aktiivinen, "nousee" ilmakehä korkeammalle.

GOCE kiertää maapalloa napojen kautta kulkevalla radalla, joten se voi periaatteessa syöksyä alas missäpäin tahansa Maata – myös Suomen yläpuolella. Kun putoamisen ajankohtaa ei voi vielä ennustaa, ei paikkaa, missä GOCE radallaan silloin on, pysty edes arvaamaan.

Se kuitenkin tiedetään, että on erittäin epätodennäköistä, että GOCEn putoava palanen vahingoittaisi ihmisiä, eläimiä tai rakennuksia. Kaksi kolmasosaa maapallon pinnasta on meriä ja maa-alueestakin suurin osa on hyvin harvaan asuttua.

Maahan putoaa joka vuosi noin 40 tonnia ihmisten avaruuteen lähettämiä satelliitteja, laitteita tai muita kappaleita, eikä niistä ole ollut haittaa. Tämä on lisäksi hyvin vähän verrattuna planeettaamme avaruudesta törmäävien luontaisten kappaleiden massaan. On todennäköisempää saada meteoriitti päähänsä kuin joutua GOCEn palasen runtelemaksi!

Vaikka riski onkin häviävän pieni, GOCEn rataa seurataan nyt hyvin tarkasti, ja kun se alkaa vajota alaspäin, tehdään putoamispaikasta jatkuvasti tarkentuvia arvioita. Ja jos on tarpeen, niin vaara-alueelta hätistetään lentokoneet sivummalle ja pelastusviranomaiset nostavat valmiuttaan.

Maapallo on päärynä

GOCEn itsensä keräämät tiedot auttavat myös sen putoamisen arvioinnissa, sillä yli neljä vuotta kestäneen mittausrupeaman tärkein tulos on ollut maapallon erinomaisen tarkka painovoimakartta. Nyt tiedämme paremmin kuin koskaan kuinka suuri on painovoiman veto eri puolilla planeettaamme ja minkä muotoinen täsmälleen ottaen Maa on.

Yksi konkreettinen tulos on Maan ns. geoidi, eli maapallon laskennallinen pinta, missä vesi ei voi virrata paikasta toiseen, vaan pysyisi täsmälleen paikallaan. Mikäli maapallon pinnalla olisi vain vettä, yksi maailmanlaajuinen valtameri, niin se ottaisi geoidin muodon, mikäli vuorovesiä ja merivirtoja ei olisi olemassa.

Nimi GOCE tuleekin sanoista "Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer", ja sen keräämien tietojen perusteella voidaan esimerkiksi ymmärtää paremmin merivirtoja, meriveden korkeutta ja jäädynamiikkaa sekä havaittuja, painovoiman vaihtelusta aiheutuvia omalaatuisia vääristymiä satelliittien radoissa.

Koko GOCE-lento, siis satelliitin tekeminen, laukaisu ja operointi, ovat tulleet maksamaan noin 350 miljoonaa euroa. Tuotoksiin verrattuna se on eräs kustannustehokkaimmista tutkimuslennoista.

GOCEn tietoja hyödynnetään myös Suomessa

Geodeettisella laitoksella on sovellettu GOCEn mittaamaa aineistoa korkeusjärjestelmien perustaksi sekä eri maiden korkeusjärjestelmien liittämiseen toisiinsa. Geoidin tarkka määritys auttaa esimerkiksi GPS-mittauksista saatujen korkeuksien muuntamista.

Painovoiman mittaaminen perinteiseen tapaan maan pinnalla vie paljon aikaa, eivätkä havainnot ole kattavia. Kiertoradalta sen sijaan saadaan mittauksia tasaisesti kaikkialta, myös merialueilta, ja tulokset ovat samanlaisia.

Suomalaiset ovat olleet aktiivisesti myös GOCEn teknisellä puolella: Space Systems Finland -yhtiö on ollut päävastuussa satelliitin keskustietokoneen ohjelmistosta. Kyseessä on ikään kuin satelliitin käyttöjärjestelmä, joka pitää satelliitin halutussa asennossa, kerää instrumenttien tuottamat havaintotiedot talteen ja välittää sekä välittömät maakomennot että muistiin ennalta syötetyt ja ajastetut toimintakäskyt tietokoneelle. Ohjelmisto myös raportoi laitteiston tilasta.

Ja aivan pian ohjelmisto tulee myös hallitsemaan GOCEn loppua: viimeiset siitä saatavat radiopiipahdukset ovat suomalaisohjelmiston lähettämiä.

Lue lisää GOCE:sta: GOCE, ESA's Gravity Mission

blogi

esablog

ESA

GOCE

painovoima

geoidi

Lue lisää Painovoimatutkija putoaa pian alas