Je leest:

Discobal licht aarde door

Discobal licht aarde door

Auteur: | 21 september 2004

Een oude aardobservatiesatelliet beweegt al tijden niet meer zoals voorspeld. De Delftse lucht- en ruimtevaartexperts Nacho Andrés en Ron Noomen maakten een nieuwe beschrijving, waardoor de satelliet weer jaren meekan.

Lageos-1 en -2 (LAser GEOdynamics Satellite) zijn stuurloos. Gelukkig niet per ongeluk, maar per ontwerp. De twee satellieten brengen de massaverdeling van de aarde in kaart door zich helemaal aan de zwaartekracht over te geven. Uit de massaverdeling zijn bijvoorbeeld de hoeveelheid ijs in de twee poolkappen of grote bewegingen in de atmosfeer of oceaan af te leiden. Dat soort informatie is weer van belang voor allerlei klimaatmodellen. Door bijvoorbeeld te meten hoe snel de noordelijke ijskap afsmelt, kunnen klimatologen hun simulaties controleren en verbeteren.

De twee Lageos-satellieten zijn elk bedekt met 426 spiegeltjes. Grondstations sturen laserstralen naar de satellieten en meten hoe lang het duurt voor die terugkeren. Daaruit is de afstand te bepalen; een aantal grondstations samen kunnen via driehoeksmeting de precieze positie vastleggen. Alles wat Lageos-1 en -2 hoeven te doen is zich laten meevoeren door de aardse zwaartekracht. Je zou verwachten dat de satellietbeweging hoog boven de aarde niet verandert. Waarom werken de oude modellen voor de satellietbeweging dan niet meer?

Lageos-1 en -2 zijn identiek van bouw: 405 kg. aan koper en aluminium, bedekt met 426 spiegeltjes om laserlicht van grondstations terug te kaatsen. Lageos-1 werd in 1976 gelanceerd. Lageos-2 vertrok in 1992.

“Mensen denken altijd dat de ruimte leeg is, dat je er ongestoord rondzweeft”, zegt Ir. Ron Noomen van de TU Delft. “Maar een satelliet in een omloopbaan voelt allerlei krachten op zich inwerken. Die verstoren de beweging van een satelliet”. Eén van die krachten is het Yarkovsky-effect. In de loop der jaren is het effect daarvan op Lageos-1 steeds sterker geworden, maar de originele modellen hielden er nauwelijks rekening mee.

Yarkovsky-effect

Als je in de warme zonneschijn zit, houd je niet alle opgevangen energie vast. Je lichaam zendt een deel weer uit als infraroodstraling. Je zou het niet zeggen, maar die straling oefent kracht uit op je lichaam. Elk uitgezonden foton (lichtdeeltje) zet zich tegen je af als het vertrekt. In het dagelijks leven zijn die fotonduwtjes onmerkbaar zwak. Maar zou je vrij in de ruimte zweven als een satelliet of asteroïde, dan kan die thermische kracht in de loop der tijd aardig wat effect hebben. In 1900 voorspelde de Russische ingenieur Yarkovsky dit effect al.

Door metingen aan de Lageos-satelliet werd het Yarkovsky-effect in de jaren 1980 experimenteel aangetoond. Tussen 1991 en 2003 toonden ook radarmetingen aan de asteroïde 6489 Golevka het effect aan; die asteroïde was in twaalf jaar tijd 15 kilometer uit zijn baan geduwd door de druk van ingevangen en uitgestraald zonlicht.

De omloopbanen van Lageos-1 en -2. Lageos-1 ziet in zijn baan de hele aarde onder zich door draaien. Lageos-2 reist over seismisch actieve gebieden als het Middellandse zee-gebied en Californië. Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

Toen Lageos-1 in 1976 werd gelanceerd, draaide hij snel rond zijn as. Daardoor bleef de satelliet aan alle kanten even warm; de uitgezonden infraroodstraling duwde dus in alle richtingen even sterk en de satelliet had daar netto nauwelijks last van. “In de loop der jaren is Lageos-1 langzamer gaan draaien”, zegt Noomen. “De satelliet reist namelijk door het aardse magneetveld en dat remt de draaiing telkens een beetje af.”

Op dit moment draait Lageos-1 in een kleine twee uur om zijn as – ongeveer twee keer per omloop van de satelliet rond de aarde. Dat levert een Yarkovsky-kracht op die 10-13 keer zo zwak is als de zwaartekracht die op Lageos werkt. Omdat die Yarkovsky-kracht continu tegen de satelliet duwt, kon het effect ervan toch aardig oplopen. De metingen aan Lageos-1 kregen daardoor een steeds grotere onzekerheid.

De oude bewegingsmodellen voor Lageos-1 kloppen sinds 1996 niet meer met de echte beweging van de satelliet. Promovendus Nacho Andrés heeft daarom een uitgebreid nieuw model voor de satellietdraaiing opgesteld dat met letterlijk álles rekening houdt: het feit dat Lageos iets topzwaar is, dat het aardmagnetisch veld kleine stroompjes opwekt die de draaiing van de satelliet afremmen, zelfs dat vier van de 426 spiegels van een iets ander materiaal zijn gemaakt en licht nét iets anders weerkaatsen.

Het nieuwe bewegingsmodel LOSSAM (LageOS Spin Axis Model) voorspelt de draaibewegingen van Lageos nu al 50% nauwkeuriger dan de voorgaande beschrijvingen. De eerste stap in de nieuwe beschrijving van de satelliet is daarmee gezet. Die bestond uit het in kaart brengen van de manier waarop de Lageos-satellieten om hun as draaien en hoe het Yarkovsky-effect tegen de satellieten duwt. “Andrés zal die informatie gaan gebruiken om de echte baan van Lageos te berekenen”, zegt Noomen. Daarna kunnen onderzoekers Lageos weer gebruiken waarvoor hij bedoeld is: de verdeling van massa binnen onze aarde in kaart brengen.

Andere meting van de massaverdeling binnen de aarde: de twee GRACE-satellieten zitten op 200 km. afstand in dezelfde omloopbaan. De achterste satelliet houdt de afstand tot de voorste satelliet precies bij. Als die verandert, ondervinden de twee satellieten een net iets andere zwaartekracht. Op deze manier worden variaties in de zwaartekracht opgespoord. bron: GRACE

Samenwerking

Lageos-1 en -2 staan niet alleen in die taak. NASA en ESA beheren gezamenlijk satellieten die de hoogte van de Noordelijke en Zuidelijke ijskap meten. Lageos kan meten hoe zwaar de ijskappen zijn en de altimeters zouden dat mooi moeten bevestigen. Naast de NASA/ESA-hoogtemeters zijn er ook nog de twee Grace-satellieten (Gravity Recovery And Climate Experiment). Die twee satellieten werden in maart 2002 gelanceerd en meten de zwaartekracht van de aarde terwijl ze elkaar achtervolgen in hun omloopbaan. De achterste satelliet meet continu de afstand tot de voorste. Als de afstand verandert, zijn er minieme verschillen in de aantrekkingskracht op de twee satellieten; teken van een variatie in de zwaartekracht. Grace is uitermate geschikt om kleine variaties in de zwaartekracht te meten, zoals de steeds veranderende watermassa in het Amazonebekken. Lageos krijgt daar geen goed beeld op. Maar Lageos kan weer grotere variaties in beeld krijgen, zoals de massa van een complete ijskap; de zwakke plek van Grace. Zo vullen de twee satelliet-systemen elkaar aan.

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 21 september 2004
NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.