Con il satellite GOCE la forza di gravità del pianeta Terra sotto controllo

Da Newton a Goce: un bel passo avanti nella esatta conoscenza della forza gravitazionale terrestre che è alla base di tutti i fenomeni fisici che si susseguono sul pianeta. Il "peso" non è solo la forza che ci tiene vincolati a questo pianeta: è anche la forza che fa cadere la pioggia, che fa scendere le correnti di aria fredda verso la superficie terrestre, che fa scorrere l’acqua dei fiumi, sia sulle terre emerse che sui fondali oceanici. Ma non solo: è la forza responsabile della cosiddetta "deriva dei continenti", cioè il galleggiamento dei continenti solidi sul magma al di sotto della crosta terrestre, della subsidenza delle terre emerse e dei fondali oceanici. È responsabile del riempimento e dello svuotamento del caverne laviche.

GOCE (Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer ) è la prima missione Earth Explorer lanciata sotto l’egida del Living Planet Programme dell’ESA, che ha preso il via nel 1999 e che ha il compito di accelerare le ricerche sull’atmosfera, biosfera, idrosfera, criosfera e sul nucleo della Terra, anche per arrivare rapidamente ad una piena comprensione delle problematiche ambientali e climatiche che affliggono il pianeta . Sono già in corso di sviluppo altre due missioni principali, selezionate per rispondere a tematiche specifiche di grande interesse pubblico. Si tratta di ADM-Aeolus che studierà le dinamiche atmosferiche (2011) e di EarthCARE il cui obiettivo è studiare a fondo l’equilibrio radioattivo della Terra (2013). Sono inoltre in corso di preparazione tre missioni Earth Explorer Opportunity: Cryosat 2 che intende misurare lo spessore della calotta polare (2009), SMOS che ha per obiettivo lo studio dell’umidità del suolo e della salinità dell’oceano (2009) e Swarm che vuole analizzare l’evoluzione del campo magnetico (2011).
 
Nell’ambito di questa vasto programma di attività il 17 marzo 2009 è stato lanciato in orbita terrestre bassa, il satellite GOCE sviluppato dall’Agenzia Spaziale Europea (ESA) con un razzo Rockot decollato dal cosmodromo di Plesetsk nella Russia settentrionale.

Il GOCE è il primo di una nuova famiglia di satelliti dell’ESA concepiti per studiare il nostro pianeta e il suo ambiente ed è stato realizzato da un consorzio di aziende guidato dalla Thales Alenia Space di Torino. EADS Astrium Space di Friedrichshafen, in Germania, ha fornito la piattaforma, Thales Alenia Space di Cannes, in Francia, ha sviluppato e integrato lo strumento principale usando sensori di altissima precisione sviluppati dall’azienda francese Onera. Un totale di 45 aziende europee hanno contribuito alla realizzazione del satellite.

In particolare, il GOCE misurerà le minute differenze presenti nel campo gravitazionale del globo terrestre poiché , non essendo la Terra perfettamente sferica e il materiale al suo interno non distribuito in modo omogeneo, abbiamo distorsioni del campo gravitazionale .

Per questo motivo per 24 mesi, il GOCE raccoglierà dati gravitazionali tridimensionali da ogni parte del globo. I dati raccolti verranno elaborati a terra per produrre la mappa più precisa possibile del campo gravitazionale terrestre e per affinarne il geoide: l’effettiva superficie di riferimento del nostro pianeta.

Nel satellite è contenuto un gradiometro gravitazionale elettrostatico, che incorpora sei accelerometri altamente sensibili, montati a coppie lungo i tre assi perpendicolari di una struttura ultrastabile in carbonio-carbonio. La missione misurerà non tanto la gravità in sé stessa, ma le piccolissime differenze di gravità registrate dalle coppie di accelerometri posti a distanza di 50 cm.

I dati raccolti dal GOCE offrono una precisione da 1 a 2 cm nell’altitudine del geoide e di 1 mGal per il rilevamento delle anomalie del campo gravitazionale (le montagne, per esempio, solitamente causano variazioni del campo gravitazionale locale che variano da poche decine a circa un centinaio di milligal). La risoluzione spaziale verrà migliorata, passando dalle diverse centinaia o migliaia di kilometri delle missioni precedenti ai 100 km del GOCE.

Per ottenere il massimo delle prestazioni dal gradiometro, il GOCE è progettato per fornire un ambiente altamente stabile e indisturbato, a dispetto della sua orbita a bassa altitudine che costringe la navicella spaziale a sopperire alla resistenza leggera ma significativa provocata dagli strati superiori dell’atmosfera. Questa è la ragione principale della forma aerodinamica a punta di freccia di questo satellite di circa 5 metri di lunghezza.

La navicella spaziale incorpora anche due motori ionici allo xeno a bassa potenza, uno principale e uno di riserva, ciascuno in grado di fornire da 1 a 20 milli-Newton di spinta (una forza equivalente a quella fornita dal soffio umano). Questi razzi di spinta verranno usati per effettuare movimenti di compensazione in tempo reale della resistenza atmosferica, sulla base dell’accelerazione media rilevata dai due accelerometri montati lungo l’asse della velocità.

Struttura e progettazione della navicella spaziale sono state inoltre ottimizzate per filtrare ogni tipo di disturbo, usando materiali ultra-stabili per limitare gli effetti dei cicli termici, senza alcuna parte mobile o dispiegabile.

La mappatura del campo gravitazionale della Terra con la straordinaria precisione consentita dalla missione offrirà vantaggi a tutte le discipline scientifiche che hanno a che fare con la Terra.

Per la geodesia potrà fornire un modello di riferimento unificato mondiale per le misurazioni dell’altitudine, eliminando le incoerenze tra i sistemi di misura delle altezze tra le diverse masse terrestri, paesi e continenti. Questo permetterà una migliore analisi delle variazioni del livello dei fondali marini, che a sua volta consentirà di rivisitare gli oltre due secoli di registrazioni storiche dei livelli del mare raccolte in tutto il globo.

L’oceanografia, potrà ricavare una migliore conoscenza del campo gravitazionale e ridurre in modo significativo le incertezze sulla circolazione delle correnti per quanto concerne i trasferimenti di calore e di massa degli oceani, risultati che si tradurranno in straordinari miglioramenti dei modelli di circolazione globale degli oceani e di previsione del clima. Il GOCE contribuirà inoltre a migliorare la nostra conoscenza del substrato roccioso della calotta polare in Groenlandia e in Antartide. La mappa precisa del geoide permetterà una migliore determinazione dell’orbita per i satelliti che effettuano il monitoraggio della calotta polare e quindi un netto miglioramento nella precisione della misurazione.

Per la geofisica, la combinazione dei risultati del GOCE con i dati relativi a magnetismo, topografia e sismologia consentirà di produrre una mappatura dettagliata in 3D delle variazioni di densità della crosta terrestre e del mantello superiore. Questo costituirà un importante contributo al miglioramento di tutte le modellazioni dei bacini sedimentari, faglie, movimenti tettonici e variazioni verticali marine/terrestri, migliorando la nostra comprensione dei processi responsabili dei pericoli naturali.

Fonte: ESA