Новый взгляд на данные о гравитации проливает свет на океан и климат
Открытие о Луне, сделанное в 1960-х годах, помогает исследователям раскрывать секреты океана Земли сегодня.
Применив метод расчета гравитации, первоначально разработанный для Луны, к данным миссии NASA (Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства США) GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment), исследователи из Лаборатории реактивного движения (JPL) нашли способ измерять давление на дне океана. Как и атмосферное давление позволяет метеорологам предсказывать ветры и погодные условия, измерения придонного давления дают океанографам фундаментальную информацию о течениях и глобальной циркуляции океана. Они также содержат ключи к вопросам об уровне моря и климате.
«Океанографы измеряли придонное давление в течение долгого времени, но измерения были ограничены несколькими точками в огромном океане и короткими периодами времени», — говорит океанограф JPL Виктор Злотницки.
Запущенные в 2002 году, спутники-близнецы GRACE картируют гравитационное поле Земли с орбиты высотой 500 км. Они реагируют на то, как масса распределена на Земле и на её поверхности — чем больше масса в данной области, тем сильнее притяжение.
Давление на дне океана определяется количеством массы над ним. «Придонное давление — это сумма веса всей атмосферы и всего океана, — объясняет Злотницки. — Когда ветры перемещают воду на поверхности, придонное давление меняется. Когда тают ледники и добавляют воду в океан, масса океана увеличивается, и придонное давление растет, либо в одном месте, либо глобально».
«Измерение придонного давления было одной из целей, которые мы ставили с самого начала миссии, — говорит научный руководитель проекта GRACE Майкл Уоткинс, — но это было сложной задачей. Сигнал очень мал и трудно обнаружим».
Изменения гравитации над океаном ничтожны по сравнению с изменениями над сушей. Океан — это жидкость. Он поддается давлению и распределяет эффект на огромной площади. Ничто в океане не дает такого большого гравитационного сигнала, как разлив реки Амазонки или тающие ледники Гренландии и Аляски, изменения, которые GRACE может измерять довольно легко. «Эти гидрологические сигналы огромны в сравнении», — отмечает Уоткинс.
Однако, по мере развития миссии, научная команда нашла лучшие способы обработки данных GRACE. И, обратившись к технике, разработанной для лунных исследований, ученые получили точные измерения придонного давления, на которые надеялись.
От Луны до океанского дна
В дни, предшествовавшие миссиям «Аполлон», ученые JPL обнаружили, что в определенных областях Луны концентрация массы выше. Результатом этих «массовых концентраций» были заметные различия в гравитационном поле Луны. Исследователи разработали новый способ расчета гравитационного поля, названный решением «маскон» (от mass concentration). Решения типа «маскон» разбивают гравитационное поле на небольшие отдельные регионы, в отличие от традиционных гармонических решений, которые все усредняют.
Недавно ученые начали применять решения «маскон» к данным GRACE. «Некоторые из лучших гармонических решений показывают некоторые сигналы придонного давления, но решения «маскон», похоже, справляются лучше и обеспечивают гораздо более высокое разрешение», — говорит Уоткинс. Результат — новый взгляд на гравитационное поле, который выявляет резкие контрасты, достаточно точные для расчета вариаций придонного давления.
Крупный полевой эксперимент у побережья Японии предоставил редкую возможность проверить оценки придонного давления по данным GRACE «маскон». Океанограф Джэ-Хун Парк и его коллеги из Университета Род-Айленда сравнили измерения GRACE с данными 43 датчиков давления на дне океана, собранными в рамках исследования течения Куросио. Они обнаружили высокую корреляцию между усредненными месячными измерениями придонного давления с датчиков и данными GRACE для центра массива. Результаты исследования были опубликованы в Geophysical Research Letters.
Новая способность GRACE обнаруживать малые изменения массы океана, отражающиеся в придонном давлении, поможет ученым ответить на вопросы об уровне моря и изменении климата. Например, она поможет выяснить, какая часть изменения уровня моря обусловлена изменением массы океана (испарение, осадки, таяние ледников, сток рек), а какая — температурой и соленостью.
«Теперь, впервые с этими новыми решениями «маскон», — говорит Злотницки, — GRACE позволит нам измерять изменения придонного давления глобально в течение длительных периодов времени. Это новый инструмент для океанографии».