Zwaartekrachtverschillen meten op onze oliebol Volkskrant

Zwaartekrachtverschillen meten op onze oliebol
Volkskrant, september 2008
Eigenlijk zou Roger Haagmans uit het oogpunt van wetenschappelijke perfectie de jongste Europese
kunstmaan op slechts 10 meter hoogte over het aardoppervlak willen laten razen. Maar dat stuit op wetten en
vooral praktische bezwaren.
Als de lancering aanstaande woensdag goed verloopt, maakt de GOCE zijn omwentelingen op een afstand van 260 kilometer van
de aarde – en dat is volgens Haagmans, projectwetenschapper bij het Europese ruimtevaartagentschap ESA, ook al knap
ingewikkeld. ‘Zelfs op die hoogte heb je toch nog last van de wrijving van de atmosfeer.’ Dat stelt bijzondere eisen aan een
satelliet die de minieme verschillen in de aardse zwaartekracht in kaart moet brengen.
De GOCE (Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer) is sowieso de eerste kunstmaan die er een beetje uitziet
als een ruimtevaartuig uit een spannend jongensboek. Een raket met staartvleugels, een glanzende metalen vuurpijl die van een
afstandje bekeken uit Lego-stenen lijkt te zijn opgebouwd.
Impressie van de GOCE-kunstmaan, die komende week wordt gelanceerd voor het meten van het zwaartekrachtveld
van de aarde. (ESA)
Met die gestroomlijnde verpakking en een bijzondere aandrijving moet de GOCE zeker twintig maanden in de laagste regionen
van de dampkring rondjes om de polen kunnen blijven draaien. Daarna is de brandstof op en valt de satelliet terug naar de
aarde.
Het is zaak dat de 1.100 kilogram wegende satelliet tijdens zijn missie zo stil mogelijk door de ruimte beweegt, aldus Haagmans.
De afwijkingen in de zwaartekracht zijn zo klein, dat ze alleen opvallen op een weegschaal die tot ver achter de komma kan
rekenen.
Aan boord van de GOCE bevinden zich drie armen met hypergevoelige gravitatiemeters die zulke variaties kunnen signaleren.
Die zouden zelfs van de geringste klik in de war raken. In de kunstmaan bevinden zich geen bewegende onderdelen, omdat die
de meetapparatuur zouden kunnen beïnvloeden.
De GOCE wordt voortgestuwd met een ionenmotor en is net als het betere type auto voorzien van adaptive cruise control. Die
houdt een auto op een constante snelheid en afstand van een voorligger. Die in de GOCE compenseert de weerstand die de
satelliet ondervindt in de ijle atmosfeer. De kunstmaan bepaalt zijn positie aan de hand van de afstand tot de kunstmanen die
deel uitmaken van het gps-netwerk (het systeem voor satellietnavigatie dat op aarde alle routeplanners de weg wijst).
Wat de GOCE na duizenden baantjes rond de aarde moet gaan opleveren, is een nauwkeurig beeld van de
zwaartekrachtverschillen op aarde. Bekeken door een zwaartekrachtbril is de aarde namelijk niet de mooie blauwe bol zoals de
schepper die bedoeld heeft en zoals we die kennen van de foto’s die vanuit de ruimte van de planeet zijn gemaakt.
Het is eerder een knoestige oliebol met bergen, vulkanen en hoge gebouwen als uitstulpingen en oceanen, meren en kraters als
gapende gaten. Tussen de hoogste bergtop en de oceaanvloer zit zo’n 20 kilometer verschil. De onevenredige verdeling van de
massa in de aarde veroorzaakt ook variaties in de zwaartekracht. Omdat de planeet om zijn eigen as draait, wordt de bol
afgeplat, en ook dat beïnvloedt de zwaartekracht.
Uit alle gegevens die de GOCE verzamelt, komt een model rollen van de ideale zeespiegel, het vlak waarop het water tot rust zou
komen als het niet zou waaien, de zon de oceanen niet zou opwarmen en de maan geen getijden zou veroorzaken. Dat
theoretische watervlak is van groot belang voor het onderzoek naar de oceaanstromingen die mede het weer van morgen
bepalen, de variaties in de zeespiegel en uiteindelijk ook de veranderingen in het klimaat. Aan die laatste complexe puzzel voegt
de GOCE een stukje toe.
Satellieten worden al decennialang gebruikt om het zwaartekrachtveld rond de aarde te bestuderen, zegt Pieter Visser,
hoofddocent astrodynamica van de Technische Universiteit Delft, zelfs als ze er niet voor waren gemaakt. ‘Dat begon bij de
eerste kunstmaan in 1957. Door de variaties te noteren in de baan die de Spoetnik om de aarde trok, kon je al verschillen in de
zwaartekracht opmerken.’
Pas later zijn er satellieten de ruimte in geschoten die specifiek voor gravitatieonderzoek zijn bedoeld. Europa heeft al ervaring
opgedaan met CHAMP, die de Duitsers acht jaar geleden lanceerden. In 2002 kreeg deze aardobservator gezelschap van de
Amerikaanse duosatelliet GRACE.
Hun Europese opvolger doet het net allemaal iets beter, zegt Visser. ‘GOCE verdeelt het aardoppervlak in partjes van rond de
100 bij 100 kilometer en ziet daarin verschillen in de hoogte van de zeespiegel van 1 tot 2 centimeter.’ Zijn voorgangers deden
dat op een veel grovere schaal, van 1.000 kilometer in het vierkant (bij CHAMP) tot 650 bij 650 kilometer (door de
Amerikanen), en vanaf een veel grotere hoogte, namelijk 400 kilometer. De Duitse kunstmaan kan hoogteverschillen in de
zeespiegel tot een meter opmerken. ‘CHAMP was een proof of concept’, zegt Visser, ‘GRACE is 10 tot 20 keer preciezer. GOCE is
100 keer nauwkeuriger.’
Metingen dicht bij het oppervlak van de aarde zijn nog secuurder, zegt Haagmans. Vandaar zijn suggestie dat de GOCE
scherpere resultaten zou boeken als de satelliet op 10 meter hoogte rond de aarde cirkelde.
Dat soort landonderzoek wordt wel gedaan. Rijkswaterstaat verricht zwaartekrachtmetingen om de afwijkingen vast te stellen
van het Normaal Amsterdams Peil (NAP), de meetlat waarmee alle hoogteverschillen in Nederland worden vastgesteld.
Voor het gemak wordt het NAP gelijkgesteld aan het gemiddelde zeeniveau. Het NAP zegt als referentiepunt ook alleen iets over
de hoogte van de zeespiegel bij Nederland, legt Haagmans uit. Wereldwijd kan het zeeniveau tientallen centimeters schelen.
‘Met het nieuwe zwaartekrachtmodel dat we met GOCE gaan opstellen, kun je hoogteverschillen veel nauwkeuriger gaan
berekenen.’ Ook van bergen of dalen in de Verenigde Staten kan dan de afwijking ten opzichte van het Normaal Amsterdams
Peil worden uitgedokterd – tot de laatste centimeters toe.