At holde styr på rumfartøjer, mens Jordens vand ændrer dets spin

Masse bliver konstant omfordelt rundt på vores planet, som jordens atmosfære, oceaner og andre vandområder på og under overfladen smelter, skift og rør. Denne masseomfordeling ændrer Jordens tyngdepunkt, hvilket igen fremskynder og sænker planetens spin – og dermed dagens længde – samt ændrer orienteringen af ​​dens spinakse. Disse ændringer i Jordens spin og orientering sker over relativt korte tidsskalaer på dage og uger, og truer kommunikationen mellem jordstationer og missioner i kredsløb og på tværs af solsystemet.

ESA arbejder på sin egen algoritme til at forudsige Jordens orientering med ekstrem nøjagtighed. Tidlige test viser, at den nye ESA-algoritme overgår dem, der bruges i dag fra eksterne udbydere, markerer et vigtigt skridt i at sikre Europas uafhængige adgang til rummet.

Kræfterne i spil, ændrer dagen

Eksterne gravitationskræfter, overvejende fra solen og månen, handler konstant og forudsigeligt på vores planet. Mens solens enorme tyngdekraft holder Jorden i kredsløb, månens blide træk har, over milliarder af år, sænkede dets spin ganske dramatisk, øge længden af ​​et døgn på Jorden.

Da jorden først blev dannet, en dag var et sted mellem seks og otte timer lang, og et år ville have bestået af mere end 1000 solopgange og solnedgange.

Tættere på hjemmet, der er kræfter på spil, som har meget hurtigere og uforudsigelige virkninger. Jordskælv, atmosfæriske vinde, havstrømme, og bemærkelsesværdigt endda selv menneskelig aktivitet, alle handler ofte og uforudsigeligt for at omfordele massen rundt om planeten, ændre hastigheden af ​​Jordens spin og orienteringen af ​​dens spin-akse.

Bevarelse af momentum

'Bevarelse af vinkelmomentum' er en fysiklov, der forklarer, hvorfor en kunstskøjteløber spinder med armene ude, kan pludselig sætte fart på sig selv ved at trække i armene mod hendes krop.

Jordens spin er også påvirket af fordelingen af ​​vægt rundt om planeten. Jordskælv, bemærkelsesværdigt, fremskynde vores planets spin på et øjeblik, ved at omarrangere stof gennem skorpen og den øvre kappe, tiltagende i en lille, men ikke ubetydelig Maade Dagens Længde.

I 2011 et jordskælv med en styrke på 9,0 ramte Japan, som på tragisk vis tog tusindvis af menneskeliv og skabte utallige skader. varer seks minutter, den forkortede også døgnets længde med 1,8 mikrosekunder (et mikrosekund =en milliontedel af et sekund) og flyttede positionen af ​​Jordens 'figurakse' – en imaginær linje, som verdens masse er afbalanceret omkring – med omkring 17 cm. (Figuraksen er Jordens massebalanceakse, mens spinaksen slingrer rundt om den.)

Meget større effekter er også undervejs forårsaget af atmosfæriske vinde og havstrømme, samt smeltningen af ​​gletsjere og iskapperne. Når isen smelter eller brækker ud i havet, havniveauet stiger, og Jordens masse omfordeles, så den er tættere på denne centrale akse, afkortning af dagen.

Sådanne ændringer er ikke noget at bekymre sig om, umærkelig for vores daglige liv. Men når det kommer til at flyve rumfartøjer hen over det dybe rum, eller holde sig synkroniseret med satellitter i kredsløb, disse små ændringer kan betyde forskellen mellem at finde og miste din mission.

Holder fast i ESA-missioner

At flyve ESA-missioner, Agenturet er afhængig af det, der kaldes Earth Orientation Parameters (EOP'er), som beskriver uregelmæssighederne i planetens rotation. Hvis du ikke kender dem, du har et reelt problem.

"Vores jordstationer er i kommunikation med interplanetariske rumfartøjer millioner af kilometer væk. De skal peges med ekstrem nøjagtighed for at målrette disse relativt små objekter, " forklarer Werner Enderle, Leder af ESA's Navigation Support Office baseret på agenturets ESOC Operations Center i Darmstadt, Tyskland.

"En grad på Jorden svarer til tusindvis af kilometer i rummet, så hvis du ikke har nøjagtige værdier for Jordens orientering, du kan være langt væk."

At få disse parametre kræver en enorm mængde arbejde med at analysere de kumulative virkninger af vejret, klimaændringer og geologisk aktivitet. Fordi disse systemer er så komplekse, vi kan i øjeblikket beregne ændringerne i Jordens orientering på relativt korte tidsskalaer, uger og måneder frem.

ESA bestemmer Jordens orientering

I øjeblikket, disse vitale parametre leveres af United States Naval Observatory (UNSO), baseret på bidrag fra institutioner rundt om i verden, herunder ESA. Imidlertid, ESA arbejder på at bestemme sine egne EOP-værdier, at sikre Europas uafhængige adgang til rummet og fjerne afhængigheden af ​​en ekstern udbyder. Disse orienteringsværdier, beregnet af et team på Navigation Support Office, stilles frit til rådighed omkring efteråret i år.

Værktøjet estimerer og forudsiger Jordens orientering og rotation op til 90 dage i forvejen ved hjælp af rumbaserede målinger fra globale navigationssatellitsystemer (GNSS) og satellitlaser, der rækker blandt andre, et område, hvor kontoret har stor ekspertise.

"Vores algoritme bruger atmosfæriske og vejrforhold, seismisk aktivitet, hastigheden, hvormed havniveauet stiger, og Jordens is smelter, og en lang række andre variabler, som alle interagerer på komplekse og svære at forudsige måder, " forklarer Erik Schoenemann, Navigationsingeniør hos ESOC, der leder projektet.

"Det er let at tage disse værdier for givet, men al rumflyvningsaktivitet er afhængig af dem, og der går en enorm mængde arbejde i at få dem. Vi er virkelig glade for nu at have vores egen kilde til disse data, at sikre vores evne til at udføre komplekse missioner i forskellige baner og modtage de utrolige data, de sender hjem."

Indtil nu, tidlige test viser, at den nye ESA-algoritme overgår dem, der er i brug i øjeblikket, markerer et vigtigt skridt i at sikre Europas uafhængige adgang til rummet.