Pengukuran presisi tinggi dari bidang gravitasi bumi oleh satelit GOCE telah menghasilkan pemetaan yang paling detail namun dari perubahan halus dalam gravitasi di seluruh permukaan bumi.
Perbedaan gravitasi halus di seluruh permukaan bumi sedang diukur, dengan akurasi yang belum pernah terjadi sebelumnya, oleh Gravity Field dan Steady-State HAIcean Csirkulasi Explorer (GOCE) satelit, dibangun dan dioperasikan oleh Badan Antariksa Eropa. Data ini akan memberi para ilmuwan landasan yang kuat untuk penelitian lebih lanjut tentang sirkulasi laut, perubahan permukaan laut, struktur dan dinamika interior Bumi, serta pergerakan lempeng tektonik Bumi untuk lebih memahami gempa bumi dan gunung berapi.
GOCE diluncurkan pada 17 Maret 2009, dari Plesetsk Cosmodrome di Rusia utara. Itu dibawa ke orbit oleh rudal balistik antarbenua yang dimodifikasi (dinonaktifkan setelah Perjanjian Pengurangan Senjata Strategis). Instrumen pengumpulan data utama satelit disebut a gradiometer; ia mendeteksi variasi yang sangat kecil dalam gaya gravitasi ketika ia bergerak di atas permukaan bumi. Ada juga penerima Global Positioning System (GPS) yang bekerja dengan satelit lain untuk mengidentifikasi kekuatan non-gravitasi yang dapat mempengaruhi GOCE, serta reflektor laser yang memungkinkan GOCE dilacak oleh laser berbasis darat.
Animasi geoid GOCE. Kredit: ESA.
Animasi Bumi “seperti kentang” yang berputar ini menunjukkan model geoid Bumi yang sangat tepat yang dibuat dari data yang diperoleh oleh GOCE dan dirilis pada 31 Maret 2011, di Lokakarya Pengguna GOCE Internasional Keempat di Munich, Jerman. Warna mewakili penyimpangan dalam ketinggian (–100 hingga +100 meter) dari geoid “ideal”. Warna biru mewakili nilai rendah dan merah / kuning mewakili nilai tinggi. Geoid ini tidak mewakili fitur permukaan aktual di Bumi. Alih-alih, ini adalah model matematika kompleks yang dibangun dari data GOCE yang menunjukkan, dengan cara yang sangat berlebihan, perbedaan relatif dalam gravitasi di seluruh permukaan bumi. Ia juga dapat dianggap sebagai permukaan lautan global "ideal" yang hanya dibentuk oleh gravitasi, tanpa pengaruh pasang surut dan arus.
https://www.youtube.com/watch?v=E4uaPR4D024
Secara ilmiah, geoid didefinisikan sebagai permukaan ekuipotensial, yaitu, permukaan yang selalu tegak lurus terhadap medan gravitasi Bumi. Sebuah ilustrasi dalam entri Wikipedia tentangnya, yang ditunjukkan di bawah ini, memberikan deskripsi tingkat tinggi: pada gambar, garis tegak lurus (bobot yang melekat pada kabel) di setiap lokasi selalu menunjuk ke bawah ke arah pusat gravitasi bumi. Oleh karena itu, permukaan hipotetis yang tegak lurus terhadap garis tegak lurus itu adalah permukaan geoid lokal. Ketika dijahit secara matematis dan dikalibrasi ke permukaan laut rata-rata, permukaan tegak lurus di banyak lokasi di sekitar Bumi membentuk geoid, sebuah model tentang bagaimana gravitasi berubah di atas permukaan bumi.
Diagram yang menggambarkan konsep dasar pembuatan geoid. Gambar tersebut menunjukkan: 1. lautan; 2. ellipsoid referensi; 3. garis tegak lurus lokal; 4. benua; 5. geoid. Kredit Gambar: MesserWoland via Wikimedia Commons.
“Lanskap” gravitasi geoid hanya didasarkan pada massa dan morfologi Bumi. Jika Bumi tidak berputar, jika tidak ada pergerakan udara, laut, atau darat, dan jika interior bumi padat, geoid akan menjadi bola yang sempurna. Tetapi rotasi Bumi menyebabkan daerah kutub sedikit turun, membuat Bumi menjadi ellipsoid, bukan bola. Akibatnya, gaya gravitasi sedikit lebih kuat di kutub dibandingkan dengan garis khatulistiwa. Variasi gravitasi yang lebih kecil di permukaan bumi disebabkan oleh perbedaan dalam ketebalan dan kerapatan batuan kerak bumi, serta perbedaan kerapatan dan konveksi jauh di dalam interior bumi.
Para ilmuwan dapat menggunakan geoid resolusi tinggi berdasarkan data GOCE sebagai kerangka referensi gravitasi untuk penyelidikan ilmu bumi lainnya. Sirkulasi laut, perubahan permukaan laut, dan pencairan lapisan es - indikator penting untuk perubahan iklim - menyebabkan variasi ketinggian permukaan laut aktual yang dapat diukur oleh observatorium Bumi lainnya. Pengamatan ini, dikalibrasi terhadap model geoid yang baik, akan secara signifikan membantu dalam memahami lebih baik dinamika iklim Bumi.
Perbedaan kepadatan dan konveksi pada mantel Bumi juga memengaruhi medan gravitasi. Misalnya, model geoid GOCE menunjukkan "depresi" di Samudera Hindia dan "dataran tinggi" di Atlantik Utara dan Pasifik Barat. Data gravitasi dapat menunjukkan tanda-tanda kuatnya gempa bumi dan gunung berapi, memberikan pengetahuan yang suatu hari nanti dapat membantu para ilmuwan memprediksi bencana alam ini. Ada juga aplikasi penting dalam sistem geo-informasi, teknik sipil, pemetaan, dan eksplorasi yang akan ditingkatkan dengan model geoid yang lebih disempurnakan.
Insinyur bekerja pada GOCE GOCE di kamar bersih di Plesetsk Cosmodrome di Rusia. Kredit Gambar: ESA.
Sejak diluncurkan pada Maret 2009, kecuali untuk periode singkat untuk pemeriksaan sistem pesawat ruang angkasa dan kesalahan operasional sementara, GOCE telah mengumpulkan data tentang medan gravitasi planet kita karena mengorbit Bumi dalam perkiraan arah utara-selatan (orbit kutub), di ketinggian hanya 250 kilometer. Ini luar biasa rendah untuk orbit rendah Bumi tetapi diperlukan karena pengukuran medan gravitasi terbaik diperoleh ketika GOCE sedekat mungkin ke permukaan Bumi sambil tetap mempertahankan orbitnya. Bentuk aerodinamis satelit membantu menstabilkannya ketika meluncur di atas tepi atmosfer, tetapi tak terhindarkan, udara yang dijernihkan menyebabkan hambatan pada satelit yang memperlambatnya. Oleh karena itu, untuk mempertahankan kecepatan orbitnya, GOCE menggunakan sistem propulsi ionnya untuk memberikan dorongan sendiri sesekali.
Misi awalnya seharusnya berlangsung 20 bulan, perkiraan waktu yang dibutuhkan untuk GOCE untuk menggunakan semua bahan bakarnya. Tapi siklus minimum matahari yang sunyi luar biasa menipiskan atmosfer atas, mengurangi hambatan pada satelit, yang memungkinkannya menghemat bahan bakar. Karena memiliki cadangan bahan bakar yang tersisa, misi ini telah diperpanjang hingga akhir 2012, memungkinkan GOCE untuk terus mengumpulkan data yang akan meningkatkan presisi tinggi dari pengukuran gayanya.
Penggambaran artis tentang GOCE di orbit di atas Bumi. Satu sisi satelit selalu menghadap matahari. Panel surya yang dipasang di 'sisi yang cerah' memberikan daya untuk pesawat ruang angkasa. Mereka terbuat dari bahan yang dapat menahan suhu setinggi 160ºC (320 ºF) dan serendah -170ºC (-274 ºF). Kredit Gambar: ESA.