23 augustus 2012 door Jos Wassink Aantal keer bekeken: 835 WEB ONLY

ESA ziet atmosfeer krimpen

Vluchtgegevens van zwaartekrachtsatelliet GOCE bevatten informatie over dichtheid en snelheid van de buitenste laag van de atmosfeer. TU-onderzoeker dr.ir. Eelco Doornbos (L&R) deed de analyse.

GOCE scheert op 270 km over het aardoppervlak - Beeld: ESA

De GOCE-satelliet meet variaties in dichtheid van aardkorst met ongeëvenaarde precisie. Dat levert nieuwe informatie op over bijvoorbeeld oceaanstromingen en smeltende ijsmassa’s. GOCE werd op 17 maart 2009 gelanceerd.

Om variaties in de zwaartekracht zo precies mogelijk te meten vliegt de GOCE-satelliet ongebruikelijk laag: op 270 kilometer boven het aardoppervlak. Terwijl meestal 400 kilometer als ondergrens aangehouden wordt vanwege de wrijving met de bovenste laag van de dampkring, die een voortijdig einde van de missie kan betekenen.

GOCE wordt in zijn baan gehouden door een ionenmotor die de wrijving met de atmosfeer compenseert. Overigens is de ‘atmosfeer’ op die hoogte ongeveer honderd miljard maal ijler (3 . 10-11) dan op zeeniveau.

Eelco Doornbos en collega’s (vakgroep astrodynamica en ruimtemissies) hebben de dichtheid en windrichting van de bovenste luchtlagen afgeleid uit de motorgegevens in combinatie met die van de versnellingsmeters.

“De ionenmotor betekende wel een complicatie voor deze toepassing, omdat de satelliet hier eigenlijk niet voor is ontworpen”, zegt dr.ir. Eelco Doornbos (L&R). “Bij de eerdere missies CHAMP en GRACE hadden we alleen met aerodynamische wrijving te maken en met stralingsdruk van de zon. Bij GOCE moeten we ook rekening houden met de versnelling door de ionenmotor.” Omdat de hypergevoelige versnellingsmeters de som van die drie factoren meten, terwijl voor dit doel alleen de aerodynamische wrijving interessant is, moet voor de stralingsdruk en de ionenmotor gecompenseerd worden. Vandaar dat de gegevens van de motor bijgehouden worden.

Dichtheid

Luchtdichtheid op 270 km hoogte als functie van breedte (verticaal) en datum (horizontaal). Bron: ESA

GOCE vliegt zijn baantjes in anderhalf uur om de aarde van noord naar zuid en weer terug, zo’n zestien keer per etmaal. Vergelijking van de gemeten luchtdichtheden met een model laat zien dat de metingen gedetailleerder zijn.

Op 12 april bijvoorbeeld is opeens een hogere luchtdichtheid gemeten (geel in plaats van groen). Dat komt doordat de atmosfeer een beetje is uitgezet door de inwerking van zonnewind (een stroom geladen deeltjes die een maximum kan bereiken wanneer er een zonnevlam richting de aarde uitspat). De zonnewind, die door het magnetisch veld van de aarde naar de polen wordt afgebogen, verwarmt de bovenste ijle luchtlagen door botsingen en door de elektrische stroom die door het plasma begint te lopen.

Ook blijkt de luchtdichtheid gemiddeld zo’n 20 procent lager te uit te vallen dan de modellen weergeven. Dat is goed nieuws voor ruimtemissies want satellieten hebben dus iets minder stuwstof nodig om op dezelfde hoogte te kunnen blijven. Ook is het voor remote sensing vaak gunstig om dichter op het aardoppervlak te zitten.

De atmosferische krimp heeft ook een nadeel: de spontane schoonmaak van ruimtepuin dat in de atmosfeer belandt, verloopt minder snel dan verwacht.

De krimp van de ijle luchtlagen op de hoogte van satellieten werd in de jaren ’90 voorspeld als bijverschijnsel van het broeikaseffect: door de toegenomen CO2 concentratie houdt de lage atmosfeer meer warmte vast, waardoor er minder warmtestraling terugkaatst naar de hogere luchtlagen die daardoor iets afkoelen en krimpen.

Zijwind

Windsnelheid als functie van geografische breedte (vert.) en datum (hor.) - Bron: ESA

Tot slot is er nog de windsnelheid: de gemeten dwarswind (in oost-west-richting) blijkt met pieksnelheden tot 1.000 meter per seconde tot een factor twee groter dan voorspeld. Dat klinkt dramatisch, maar de satelliet zelf heeft een veel grotere snelheid van bijna 8.000 m/s en omdat de satelliet in een cirkel om de aarde vliegt middelt het effect van de wind op de satellietbaan over het algemeen uit. Volgens Doornbos is de windsnelheid dan ook minder relevant voor ruimtemissies dan de dichtheid.

De hoogste windsnelheden zijn, net als de atmosferische modellen aangeven, boven de polen gemeten. De windsterkte is minder gevoelig voor variaties in de zonnewind dan de luchtdichtheid.

Zie ook ESA persbericht: Gravity satellite to benefit future missions