ESA – 15. díl – Severní ledový oceán bez ledu?

Úvodní obrázek

V dalším díle našeho seriálu o Evropské kosmické agentuře se po delší době nevydáme do nekonečných dálav hlubokého vesmíru, ale zůstaneme na oběžné dráze naší mateřské planety. ESA je světovou špičkou ve vesmírném výzkumu úzce specializovaných oborů týkajících se Země nebo nejbližšího vesmírného okolí. O některých takových projektech už na našem blogu byla zmínka. Jednalo se například o GOCE, který zkoumal zemské gravitační pole, nebo o nedávno startující Swarm, jež se zabývá pro změnu magnetosférou, a mohli jste si o něm přečíst v několika Kosmotýdenících. Dnes si ale přiblížíme ještě výjimečnější projekt, který se věnuje měření kryosféry a nese název Cryosat.

Neustále se zvyšující průměrná teplota zemského povrchu má za následek všeobecně známé tání ledovců nejen v polárních oblastech. Bude-li současný trend pokračovat, budeme ještě v tomto století čelit úplnému zmizení arktické polární čepičky. To samozřejmě neovlivní jen severní polární oblasti ale celou Zemi. Zvýšené hladiny moří zaplaví hustě osídlené přímořské oblasti a nadobro pohřbí mnoho ostrovů. O tom, jaké by to mohlo mít sociální a politické následky snad raději ani nebudeme spekulovat. Tání severských ledů již dnes značně ovlivňuje evropské počasí. Nadměrné množství tající sladké vody má vliv na mořské proudy omývající západní Evropu a to vyúsťuje v další oteplování, jehož důkazem nám jsou teplejší zimy posledních let. Různé satelity pro pozorování Země už ubývající ledovou polární čepičku odhalily dávno. K tomu abychom plně porozuměli tomu, jak klimatické změny ovlivňují křehké polární oblasti, je ale zapotřebí znát tloušťku ledu v jednotlivých oblastech a její změnu v čase.

V roce 1998 obdržela ESA 27 návrhů pro program ESA’s Living Planet. 27. května roku 1999 pak byl oznámen jediný vybraný projekt, kterým se stal Cryosat. Jeho úkolem bylo měřit změny tloušťky ledové pokrývky v Arktidě, monitorovat jeho rozložení, pohyb ledovců změny v ledovém příkrovu v oblastech kolem Grónska a Antarktidy. Výsledkem se pak měl stát detailní přehled míry tání ledovců, jejich sezónní cyklus a všechny vedlejší vlivy s ním spojené. Už dříve byla tloušťka arktického proměřována a monitorována. Byly uskutečňovány hloubkové vrty či sonarová měření vojenských ponorek operujících pod ledovým příkrovem. Naměřená data se v průběhu času hromadila a vědci tak dostali nějaké výsledky, ale většina těchto měření probíhala víceméně na stejných místech. Naproti tomu Cryosat měl poskytnout daleko přesnější měření pokrývající celou plochu Arktidy a to za zlomek času.

Záře motorů rakety Rokot na večerní obloze kosmodromu Pleseck.

Záře motorů rakety Rokot na večerní obloze kosmodromu Pleseck.
Zdroj: http://www.spaceflightnow.com/

8. října 2005 byl Cryosat připraven ke startu z ruského kosmodromu Pleseck. K vynesení na polární oběžnou dráhu byla vybrána lehká raketa Rokot. Dvě minuty po páté hodině odpolední našeho času zaburácely motory prvního stupně a raketa se zamířila vzhůru. První stupeň rakety fungoval bezchybně a po jeho oddělení přišla řada na stupeň druhý. Ten také začal pracovat podle očekávání, avšak po chvíli nastal závažný problém. V okamžiku, kdy mělo dojít k vypnutí motoru druhého stupně, se tak nestalo a motor hořel dál a spaloval i zbytky paliva až do úplného vyprázdnění nádrží. Následkem této chyby nedošlo k oddělení druhého stupně a aktivaci třetího stupně Breeze-KM. Cryosat se tak nedostal na oběžnou dráhu a celá sestava druhého a třetího stupně i s družicí za 170 milionů dolarů spadla do Severního ledového oceánu severně od grónských břehů. Následné analýzy a vyšetřování zjistily, že první stupeň pracoval skutečně bez chyby. Druhý stupeň taktéž až do onoho zrádného okamžiku, kdy se měl vypnout. Příčinou selhání byl chybějící příkaz k vypnutí motoru v řídícím počítači rakety.

O čtyři měsíce později komise pro programy pozorování Země na svém zasedání v Paříži oznámila, že projekt Cryosat bude pokračovat a nový exemplář se na oběžnou dráhu vydá v březnu 2009. Cíl mise přitom zůstal stejný a družice postupně dostala přibližně stovku drobných vylepšení. Co však došlo změny a to výrazné, byla nosná raketa a dokonce i kosmodrom. O vynesení se nyní měla postarat raketa Dněpr, která byla stejně jako Rokot odvozena od vojenských mezikontinentálních balistických střel. Startovat se tentokrát mělo z osvědčeného Bajkonuru v Kazachstánu. Start byl sice několikrát odložen, mimo jiné kvůli obavám o motory druhého stupně rakety, ale 8. dubna 2010 se vědecká komunita celého světa, zabývající se globálním oteplováním, konečně dočkala. Raketa Dněpr v 15:57 odstartovala z podzemního sila směrem na jih a o 17 minut později obdržela pozemní monitorovací stanice Malindi v Keni signál, že Cryosat-2 byl úspěšně umístěn na polární dráhu ve výšce 700 km s oběžnou periodou 99 minut.

Start rakety Dněpr z podzemního sila.

Start rakety Dněpr z podzemního sila.
Zdroj: http://media2.s-nbcnews.com/

Cryosat-2 je sice umístěn na polární dráze, ale na rozdíl od většiny podobných zařízení nebyl umístěn na dráhu helio-synchronní. S rozměry 4.6 x 2.4 x 2.2 m vážil při startu 720 kg, z čehož pouhých 37 kg připadalo na pohonné látky pro korekce dráhy. Cryosat-2 nemá roztažitelné solární panely, což sice značně snižuje náklady, ale v kombinaci s netradiční oběžnou dráhou to zvyšuje nároky na správné umístění solárních panelů na těle družice a systém dodávky energie obecně. Tento satelit vlastně kromě ventilů v palivovém okruhu nemá vůbec žádné pohyblivé části.

Primárním vědeckým zařízením na palubě je SIRAL (Synthetic Aperture Radar / Interferometric Radar Altimeter), který pracuje ve třech režimech v závislosti na tom, nad jakým typem zemského povrchu se nalézá. Prvním režimem je LRM (Low Resolution Mode), který je využíván pro měření vnitřních oblastí ledovců. Druhým režimem je SAR používaný pro plující kry a ledovce a třetím je SARin (Synthetic Aperture Radar/Interferometric), který využívá druhé antény jako interferometru a dosahuje tak maximální přesnosti. Jedna anténa tedy signály vysílá a obě je přijímají. Tento režim je používán především pro oblasti strmých okrajů ledovců. SIRAL je tedy radarový výškoměr,  je však mnohem pokročilejší a přesnější než běžné výškoměry využívané například v letadlech. Běžné radarové výškoměry vysílají pulsy s intervaly okolo 500 μs, kdežto SIRAL tyto pulsy vysílá s intervaly 44,8 μs. SIRAL je schopen měřit tloušťku ledu s přesností na 1 cm a vytvářet tak podrobné 3D modely. Pro takto přesná měření je zapotřebí znát přesnou polohu i orientaci samotné družice. K určování orientace slouží nejstarší a doposud nejpřesnější metoda – soustava třech star trackerů zjišťuje polohu na základě pozice hvězd. Každý z nich pořídí pět snímků hvězdného pole za sekundu, které jsou počítačem následně analyzovány a porovnávány s uloženou databází pozic hvězd. K určování polohy satelitu vůči Zemi zase slouží rádiový přijímač DORIS, který přijímá signály z 50 pozemních radiomajáků a měřením Dopplerova posunu tak přesně určuje svou polohu. Toto měření probíhá každých deset sekund a signál je přijímán na dvou frekvencích (2036,25 MHz a 401,25 MHz). Další měření polohy Cryosatu jsou pak prováděna ze Země. Satelit má na své spodní základně, která vždy směruje k Zemi Laser Retro-Reflector (LRR), což je pasivní optické zařízení, které odráží přijaté světlo přesně do místa jeho zdroje. Globální sít laserových monitorovacích stanic tak může nezávisle sledovat přesnou polohu Cryosatu tím, že na něj vysílá krátké laserové impulsy a měří čas mezi jejich vysláním a zpětným přijetím. Tato globální síť nazvaná International Laser Ranging Service (ILRS) nepatří přímo Evropské kosmické agentuře. Ta jen využívá její služby stejně jako například NASA nebo Roskosmos.

Popis hlavních částí Cryosatu: 1. radiátor chladícího systému; 2. dvě hvězdná čidla; 3. antény SIRAL; 4. anténa radiopřijímače DORIS; 5. Laser retro-reflector; 6. anténa pásma X, přes kterou jsou posílány objemné datové balíky ze SIRALu; 7. anténa pásma S, která slouží k běžné komunikaci se Zemí; 8. stříška solárních panelů.

Popis hlavních částí Cryosatu: 1. radiátor chladícího systému; 2. dvě hvězdná čidla; 3. antény SIRAL; 4. anténa radiopřijímače DORIS; 5. Laser retro-reflector; 6. anténa pásma X, přes kterou jsou posílány objemné datové balíky ze SIRALu; 7. anténa pásma S, která slouží k běžné komunikaci se Zemí; 8. stříška solárních panelů.
Zdroj: http://newsimg.bbc.co.uk/

Nedílnou součástí každého umělého vesmírného tělesa je jeho zázemí. Bez něj by byla jakákoliv družice či sonda úplně k ničemu. Vše začíná plánováním. To se odehrává ve středisku pro pozemská pozorování ESRIN ve Frascati v Itálii a v hlavním řídícím centru ESOC v Darmstadtu v Německu. ESRIN má na starosti plánování činnosti hlavního vědeckého instrumentu SIRALu, kdežto ESOC se stará o samotnou platformu Cryosatu. Naplánovaná činnost se odesílá do Švédska a odtud je uploadována jednou týdně na Cryosat-2. A právě  v severním Švédsku se nachází hlavní prvek pozemního segmentu – monitorovací stanice poblíž městečka Kiruna. Odtud se komunikuje se satelitem přímo a to 11 krát denně po dobu desíti minut. Během této doby jsou odeslány příkazy v pásmu S a stejnou cestou Cryosat-2 posílá zpět telemetrické údaje. V pásmu X jsou poté stahována naměřená data. V Kiruně jsou všechna data také zpracovávána a následně přeposílána do SSALTO ve francouzském Toulouse k dlouhodobé archivaci.

První mapa tloušťky mořského ledu.

První mapa tloušťky mořského ledu.
Zdroj: http://spaceinimages.esa.int/

Vědci se tedy po vypuštění Cryosatu-2 konečně dočkali tak dlouho očekávaných dat. Více než deset let uplynulo od prvních návrhů přes nezdařený start v roce 2005 až k operačnímu využití. Získaná data nám, jakožto laické veřejnosti, mnoho nepoví, ale pro vědce celého světa jsou nesmírně cenná. Nás mohou zajímat až výsledky jednotlivých studií, které se na datech z Cryosatu zakládají. Prvním takovým zajímavým produktem se pro veřejnost stala historicky první mapa tloušťky mořského ledu, kterou ESA zveřejnila v Paříži na Air and Space Show v červnu 2011. Několik měsíců poté už byla tato mapa doplněna o roční změny, které ukázaly rozsáhlé změny, které v Arktidě každoročně probíhají. Cryosat-2 ale není sám, kdo zkoumá ledové pokrývky na pólech. Do Arktidy i Antarktidy ESA pravidelně vysílá expedice, které mají za úkol potvrzovat a zpřesňovat data naměřená satelitem. Tyto výpravy provádějí různá měření nejen ledu ale i vzduchu a porovnávají je s daty z Cryosatu. Měření jsou prováděna jak na zemi, tak ze vzduchu pomocí letadel vybavených, zjednodušeně řečeno, podobnými radary jako je SIRAL.

Primárním úkolem Cryosatu je, jak již bylo několikrát napsáno, měření tloušťky ledové pokrývky. Mezinárodní vědecká komunita si ale uvědomila možné přínosy i v jiných oblastech a tak se Cryosat-2 brzy dočkal sekundárních a terciárních vědeckých cílů. Především se jedná o měření různých podmínek ve světových oceánech a tím napomáhání ke zlepšení předpovědi počasí pro oceánské lodě. Zatímco svůj hlavní cíl, tedy Arktidu Cryosat přelétá pouze po zlomek své oběžné doby. Nad světovými moři a oceány tráví času daleko více. Byla by tedy škoda nevyužít jeho schopností. Díky svému pokročilému radaru může monitorovat hladiny moří a výšky mořských vln. V kombinaci s daty z dalšího evropského satelitu Envisat je pak dosaženo velkého zpřesnění rychlosti a směru větru. Brzy nato přibylo do seznamu úkolů satelitu topografické mapování oceánského dna ve vysokém rozlišení. Princip měření je přitom velmi zajímavý. Radarové paprsky se odrážejí od vodní hladiny a satelit tak na dno vůbec „nevidí“. Dokáže ale profil dna odhalit díky gravitaci. Oblasti podmořských horských hřbetů a hor obsahují více masy a tudíž k sobě gravitačně poutají větší množství vody než nížiny. To se přímo nad nimi projevuje zvýšenou hladinou. Takováto měření jsou také velmi užitečná. Není tajemstvím, že například povrch Marsu známe daleko podrobněji než dna našich vlastních oceánů.

Cryosat-2 už nad oběma zemskými póly obíhá více než tři roky a za tu dobu, bohužel, jen potvrdil, že polárního ledu znatelně ubývá. Západní polární příkrov Antarktidy například každoročně přijde o 150 krychlových kilometrů ledu! I přesto ale není Cryosat jen poslem špatných zpráv. Letos na jaře objevil pod antarktickým ledem obří kráter. Takovýchto kráterů se na Antarktidě nachází více a tvoří tak sladkovodní jezera skrytá pod tříkilometrovou vrstvou ledu, která nemají tisíce let přístup ani k povrchu ani k oceánu. Není divu, že vědci lační po jejich přímém prozkoumání.

Další díl našeho seriálu je u konce, ale dnes mi ještě dovolte na závěr jedno doporučení. Ti z vás, kteří jsou majiteli iPhonu či iPadu si mohou v App Store stáhnout aplikaci ESA Cryosat, která je zdarma. Aplikaci jsem si sám stáhl a detailně prozkoumal, tudíž doporučuji z vlastní zkušenosti. A je o co stát. Aplikace obsahuje podrobné informace o samotném satelitu spolu s 3D modely a fotografiemi jednotlivých součástí. Dále zde najdete fotografie, videa a aktuální zprávy i celý archiv týkající se Cryosatu a hlavně naměřená data, která si můžete zobrazit i v minulosti a ta aktuální jsou přibližně tři týdny stará. Hezky přehledně se vám graficky zobrazí výškový profil povrchu pod přeletem ve vámi vybraném čase. Třešničkou na dortu je pak zobrazení aktuální polohy, viditelnosti a možnosti pozorování přeletů. Ať už jste studenti příbuzných oborů, vědci nebo jen zapálení nadšenci, aplikaci mohu vřele doporučit.

 

Zdroje informací:
http://www.esa.int/
http://sci.esa.int/
http://esamultimedia.esa.int/
http://www.spaceflightnow.com/
http://www.lib.cas.cz/space.40/
http://forum.kosmonautix.cz/

Zdroje obrázků:
http://www.spaceflightnow.com/
http://media2.s-nbcnews.com/
http://newsimg.bbc.co.uk/
http://spaceinimages.esa.int/

ESA - 15. díl - Severní ledový oceán bez ledu?, 2.5 out of 5 based on 15 ratings
Pin It
(Visited 1 051 times, 1 visits today)
Nahlásit chybu

Hlášení chyb a nepřesnostíClose

VN:F [1.9.22_1171]
Rating: 2.5/5 (15 votes cast)
(Visited 1 051 times, 1 visits today)
Níže můžete zanechat svůj komentář.

Více se o tomto tématu dočtete zde »
(odkaz vede na příslušné vlákno diskuzního fóra www.kosmonautix.cz)


12 komentářů ke článku “ESA – 15. díl – Severní ledový oceán bez ledu?”

  1. Krásenský napsal:

    Dotaz: Píšete „zmizení arktické polární čepičky… způsobí…Zvýšené hladiny moří zaplaví hustě osídlené přímořské oblasti a nadobro pohřbí mnoho ostrovů…“
    Odkud se ta voda veme co zaplaví ty přímořské oblasti a ostrovy? Z toho ledu to asi nebude neboť plave
    S pozdravem Krasensky

    • Josef napsal:

      V článku se poměrně zmateně skáče od Arktidy po Antarktidu. V Antartidě led neplave, ale leží na pevné zemi. Pokud by došlo k jeho odtátí, pak by skutečně asi došlo ke zvýšení hladiny moří. Ale mám pocit, že k tomu nějak rapidně nedochází.

  2. Michael Voplatka napsal:

    Ano, plave. A jak jistě víte, neplave ten led celý pod hladinou, ale také nad ní. Což znamená, že až roztaje, obohatí onen nadhladinový objem vodu pod ledem a hladina se zvedne. Můžete si to doma vyzkoušet se skleničkou vody a kostkami ledu. Navíc „tání polární čepičky“ bylo v tomto kontextu myšleno i v souvislosti s pevninskými ledovci. Takové Grónsko sice netaje tak rychle jako Arktida, jelikož led má na souši lepší podmínky k udržení, ale i tak grónského ledu každým rokem ubývá mnoho kubických kilometrů.

    • Croco napsal:

      Ano, led plave částečně nad vodou. Ale jak jistě víte, je objem ledu větší o cca 9% než objem vody z které se vytvořil. A proto protože při tání se opět objem zmenšuje, nadhladinový objem ledu přesně vyplní to zmenšení objemu podhladinového. (stačí si vyzkoušet nebo najít na webu třeba to zmíněné „tání ledu ve sklenici vody“).

      Problémem není dokonce ani voda steklá s pevniny, protože její celkový objem je k množství vody v oceánech zcela zanedbatelný.

      Problémem je jev mnohem nepatrnější jehož, následky jsou ale díky celkovému objemu vody v oceánech veliké. Při ohřevu vody se totiž mírně snižuje její hustota a tím pádem se zvětšuje její objem (viz například http://www.converter.cz/tabulky/hustota-vody.htm). Stejné množství vody pak zabírá více místa, což se projevuje tím, že hladina moře stoupá.
      V současné době je oteplování oceánu a tím i jeho rozpínání částečně „regulováno“ tím, že do moře teče studená voda z tajících ledovců…

      • Croco napsal:

        … ještě pro porovnání „mnoha kubických kilometrů tajícího ledu ročně“.

        Přesná čísla, kolik taje ledu nevím. Průměrný roční průtok Amazonky je ale někde kolem 170.000 m3/s a tedy 1 km3 vody zhruba za 1,5 hodiny.

        PS: Nechci tím nijak tání ledovců zlehčovat a už vůbec se nechci dohadovat, co za ním stojí. Snažím se ale jen nebýt „obětí“ alarmistů.

        • Tomi napsal:

          Taky mě vadí, když někdo vydává oteplování za definitivně vědecky dokázaný. Přiznám se rovnou, že takový odstavce přeskakuju, tak díky za detailní náhled 😀

          Ale mám jinou výtku: Satelit má na SVÉM břiše LRR který odrazí světlo do místa SVÉHO zdroje. Asi se shodneme na tom, že do místa zdroje světla, čili JEHO zdroje. Tady zrovna je to celkem jasný, ale u zpráv v rádiu a televizi občas žasnu. Vyskytuje se to čím dál častěji, a už jsem si zadal za domácí úkol že budu prudit.

          Ale chodím sem pro poučení rád a budu pokračovat, díky za něj.

        • Michael Voplatka napsal:

          Tomi: Děkuji za upozornění na chybu, provedl jsem opravu. Ohledně vašeho „prudění“: Slušné upozorňování na chyby a konstruktivní kritika je samozřejmě vítaná všude, kde lidé nemají zavřené mozky. Na našem blogu si je velice ceníme. Takže svůj domácí úkol s radostí plňte dál (nejen u nás 🙂 ).

          Tento článek neměl být alarmujícím hlásáním do světa „moudra“ o globálním oteplování. Toto je blog a kosmonautice a předmětem tohoto článku je sonda Cryosat-2, která zkoumá jev s globálním oteplováním související. Proto je zde také malý odstavec o tání ledovců, který uvádí do problematiky a zdůvodňuje důvod vypuštění Cryosatu. I když jsem velmi ekologicky smýšlející člověk, nejsem žádný extremista ve stylu Greenpeace. Doufám ale, že mi dáte za pravdu, že Země se otepluje a nastávají i jiné změny počasí. Koneckonců, jen tak pro srandu tam ta družice nekrouží. Kdo by vyhazoval peníze na zkoumání něčeho, co neexistuje? A je už jedno, jestli oteplování způsobuje člověk, nebo cokoli jiného. Naše planeta nikdy neměla stálé podnebí, to se neustále mění, takže nad těmito věcmi nemá cenu tady diskutovat, když to není tématem článku.

        • Josef napsal:

          Otázkou je, jestli má smysl něco takového zkoumat, pokud s tím nemůžeme nic dělat a je to přirozený koloběh oteplování či ochlazování. Odpověď je samozřejmě, že ano, protože se na to budeme moci alespoň připravit. Avšak nemylte se, dnešní prostředky nejsou vždy využívány účelně a často zjistíte, že se peníze daňových poplatníků vyhazují za nesmyslné až účelové projekty, které nemají za cíl vědu, ale přesvědčování mas.

  3. Tomi napsal:

    Má smysl to zkoumat, právě proto, že kromě toho projevu (tání) víme houby co, a hlavně proč se děje. Jen mám občas pocit, že se libovolně prohazují následky něčeho s příčinami něčeho jiného a vždycky vyjde, že se otepluje a že za to může 0.04% CO2, což je dostatečný důvod k tomu rozvrátit evropskou ekonomiku. Nechme toho, o tom to tady není.

  4. Martin napsal:

    Zajímavé informace,ale historicky Vikingové přípluli na novou zemi,kterou nazvali Zelená země( Gronsko),takže ledu bylo podstatně méně a hladiny moří nebyli o mnoho jiné než dnes…

    • Michael Voplatka napsal:

      Ujišťuji vás, že v 9. století, kdy Vikingové poprvé připluli do Grónska, nebylo ledu podstatně méně. Stačí si najít výsledky vědeckých předpokladů vývoje tohoto fenoménu, které jsou založené na reálných měřeních a výpočtech.

      A ostrov po svém objevu určitě nebyl pojmenován Zelená země. Původní název zněl jinak, byl pojmenován po svém objeviteli. Zelená země se Grónsku začalo říkat až o století později, kdy probíhala snaha o jeho kolonizaci. Při plavbě z Islandu na západ Erik Rudý narazil na pobřeží a pokračoval podél něj na jih tak dlouho, dokud nenarazil na nezaledněné části pevniny. Název Zelená země pak měl dopomoci k tomu, aby přilákal nové osadníky. Takže ano, Grónsko není zcela zaledněné. To ale nemění fakt, že je zaledněné z valné většiny.

  5. kopapaka napsal:

    Hezké čtení.

Zanechte komentář