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L’ESA lancia GOCE, la prima missione Earth Explorer

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Questo pomeriggio, il satellite Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer (GOCE) sviluppato dall’Agenzia Spaziale Europea (ESA) è stato lanciato in orbita terrestre bassa, quasi eliosincrona, da un razzo Rockot decollato dal cosmodromo di Plesetsk nella Russia settentrionale.

Questo lancio dà inizio a un nuovo capitolo nella storia dell’osservazione della Terra in Europa. Il GOCE è il primo di una nuova famiglia di satelliti dell’ESA concepiti per studiare il nostro pianeta e il suo ambiente allo scopo di approfondire le nostre conoscenze e di migliorare la nostra comprensione dei processi del sistema terrestre e della loro evoluzione, per consentirci di rispondere alle sfide del cambiamento climatico globale. In particolare, il GOCE misurerà le minute differenze presenti nel campo gravitazionale del globo terrestre.

Il lanciatore russo Rockot, derivato da un missile balistico convertito, è decollato alle 15:21 CET (14:21 GMT) e si è diretto a nord sorvolando l’Artico. Circa 90 minuti più tardi, dopo una rivoluzione orbitale e dopo il distacco dei due stadi superiori Breeze-KM, la navicella spaziale da 1052 kg è stata rilasciata con successo in un’orbita circolare polare a 280 km di altitudine con un’inclinazione di 96,7º rispetto all’Equatore. Il lancio è stato gestito da Eurockot Launch Services, una società tedesca/russa con sede a Brema, in Germania.
Il contatto con la missione GOCE è stato stabilito per mezzo della stazione dell’ESA di Kiruna, in Svezia, poco dopo il distacco degli stadi. La navicella spaziale ora è sottoposta al controllo da parte dei team dell’ESA in forza allo European Space Operations Centre di Darmstadt, in Germania.

“Il GOCE è il primo satellite scientifico dell’ESA dedicato all’osservazione della terra sin dai tempi dell’Envisat (2002). Le dimensioni sono cambiate, ma la motivazione di fondo rimane identica: fornire i migliori risultati scientifici che è possibile raccogliere con la tecnologia disponibile a tutto vantaggio della comunità scientifica e, in ultima analisi, dei cittadini europei e del mondo intero”, ha dichiarato Jean-Jacques Dordain, Direttore Generale dell’ESA.
Il GOCE è stato selezionato nel 1999 come prima missione del programma Earth Explorer nel quadro del Living Planet Programme dell’ESA. Il satellite è stato sviluppato da un consorzio di aziende guidato da Thales Alenia Space, con sede a Torino, in Italia. 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.

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. Una precisa conoscenza del geoide, che può essere considerato come la superficie di un ideale oceano globale a riposo, giocherà un ruolo molto importante negli ulteriori studi del nostro pianeta, dei suoi oceani e della sua atmosfera. Questo studio servirà da modello di riferimento per le nostre misurazioni e modellazioni delle variazioni del livello del mare, delle correnti oceaniche e delle dinamiche delle calotte polari.
Un carico unico a bordo di una navicella spaziale davvero unica

Il principale strumento che compone il carico utile è un gradiometro gravitazionale elettrostatico, un elemento all’avanguardia 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.
Una missione, molti vantaggi

Nelle prossime sei settimane, i team dell’ESA e dei suoi partner industriali controlleranno e faranno entrare in servizio il GOCE. La navicella spaziale verrà quindi trasferita alla sua orbita operativa ad un’altitudine di 263 km e il suo carico verrà sottoposto a ulteriori sei settimane di messa in funzione e calibrazione. L’inizio delle attività operative della missione è programmato per l’estate del 2009.

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.
Una missione Earth Explorer è partita, altre la seguiranno

“Il successo di questo lancio segna l’inizio della nuova generazione di satelliti geologici europei,” ha dichiarato Volker Liebig, direttore del Programma di Osservazione della Terra dell’ESA. “Si tratta del primo di una nuova generazione di piccoli satelliti scientifici dedicati e aprirà la strada ad altre missioni Earth Explorer. Gli scienziati attendono con trepidazione i dati ricavati da queste missioni. Nei prossimi due anni sono previsti altri quattro lanci; questo significa che ci attende un periodo di lavoro molto intenso.”

GOCE 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 stimolare le ricerche sull’atmosfera, biosfera, idrosfera, criosfera e sul nucleo della Terra, nonché sulla loro reciproca interazione e sull’impatto delle attività antropiche su questi processi naturali. 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 radiativo 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).

ESA launches first Earth Explorer mission GOCE

17 March 2009
This afternoon, the Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer (GOCE) satellite developed by the European Space Agency (ESA) was lofted into a near-Sun-synchronous, low Earth orbit by a Rockot launcher lifting off from the Plesetsk cosmodrome in northern Russia.

With this launch, a new chapter in the history of Earth observation in Europe has begun. GOCE is the first of a new family of ESA satellites designed to study our planet and its environment in order to enhance our knowledge and understanding of Earth-system processes and their evolution, to enable us to address the challenges of global climate change. In particular, GOCE will measure the minute differences in the Earth’s gravity field around the globe.

The Russian Rockot launcher, derived from a converted ballistic missile, lifted off at 15:21 CET (14:21 GMT) and flew northward over the Arctic. About 90 minutes later, after one orbital revolution and two Breeze-KM upper-stage burns, the 1052 kg spacecraft was successfully released into a circular polar orbit at 280 km altitude with 96.7º inclination to the Equator. The launch was procured from Eurockot Launch Services, a German/Russian company based in Bremen, Germany.

Contact with GOCE was established via ESA’s tracking station in Kiruna, Sweden, shortly after separation. The spacecraft is now under the control of ESA’s teams at its European Space Operations Centre in Darmstadt, Germany.

“GOCE is ESA’s first science satellite dedicated to Earth observation since Envisat in 2002. The size has changed, but the rationale remains the same: to provide the best science our technology can deliver for the maximum benefit of the science community and ultimately the citizens of Europe and the world,” said Jean-Jacques Dordain, ESA Director General.

GOCE was selected in 1999 as the first Earth Explorer Core Mission under ESA’s Living Planet Programme. The satellite was developed by an industrial team led by Thales Alenia Space in Turin, Italy. EADS Astrium Space in Friedrichshafen, Germany, provided the platform. Thales Alenia Space in Cannes, France, developed and integrated the main instrument using ultra-precise sensors developed by Onera of France. A total of 45 European firms have contributed to the building of the satellite.

For 24 months, GOCE will collect three-dimensional gravity data all over the globe. The raw data will be processed on the ground to produce the most accurate map of the Earth’s gravitational field to date and to refine the geoid: the actual reference shape of our planet. Precise knowledge of the geoid, which can be considered as the surface of an ideal global ocean at rest, will play a very important role in further study of our planet, its oceans and atmosphere. It will serve as the reference model for our measurement and modelling of sea-level change, ocean circulation and polar ice cap dynamics.

A unique payload onboard a unique spacecraft

The main payload instrument is a state-of-the-art Electrostatic Gravity Gradiometer incorporating six highly sensitive accelerometers, mounted in pairs along three perpendicular axes on an ultra-stable carbon-carbon structure. The mission will measure not gravity itself but the tiny differences in gravity between the accelerometer pairs 50 cm apart.

The data collected by GOCE will yield accuracy of 1 to 2 cm in the geoid altitude and 1 mGal for the detection of gravity-field anomalies (mountains, for instance, usually cause local gravitational variations ranging from tens of milligals to approximately one hundred). The spatial resolution will be improved from several hundreds or thousands of kilometres on previous missions to 100 km with GOCE.

In order to get the maximum performance from the Gradiometer, GOCE is designed to provide a highly stable and undisturbed environment, despite its low-altitude orbit which forces the spacecraft to endure slight but significant drag from the uppermost layers of the atmosphere. This is the main reason for its slender 5 metre-long arrowhead aerodynamic shape design.

The spacecraft also incorporates two low-power xenon ion engines, one primary and one backup, each able to deliver 1 to 20 milli-Newtons of thrust (the force equivalent to our exhaling). These thrusters will be used to make real-time compensation for atmospheric drag, based on the mean acceleration detected by the two accelerometers mounted along the velocity axis.

The spacecraft’s structure and design were also optimised to filter out all kinds of disturbance, by using ultra-stable materials to limit thermal cycling effects, without any deployable or moving parts.

One mission, many benefits

Over the coming six weeks, the teams from ESA and its industrial partners will check and commission GOCE. The spacecraft will then be transferred to its operational orbit at 263 km altitude and its payload will undergo a further six weeks of commissioning and calibration. Mission operations are scheduled to start in summer 2009.

The mapping of the Earth’s gravity field with such precision will benefit all branches of Earth science.

For geodesy, it will provide a unified reference model for height measurements worldwide, eliminating discontinuities between height systems for the various landmasses, countries and continents. This will enable better surveying of sea-level change, allowing scope to revisit a 200 year-plus history of recorded sea levels around the globe.

For oceanography, a better knowledge of the gravity field will significantly reduce current uncertainties regarding ocean heat and mass transfer, which will translate into tremendous improvements to global ocean-circulation and climate-forecasting models. GOCE will also improve our knowledge of the polar cap bedrock in Greenland and Antarctica. The precise geoid map will enable better orbit determination for satellites monitoring the ice sheet and thus increased measurement accuracy.

For geophysics, combining GOCE’s results with magnetism, topography and seismology data will help produce detailed 3D mapping of density variations in the Earth’s crust and upper mantle. This will be a major contribution to the improvement of all modelling of sedimentary basins, rifts, tectonic movement and sea/land vertical change, enhancing our understanding of the processes responsible for natural hazards.

One Earth Explorer up, more to come

“This launch success marks the dawn of a new generation of Earth sciences satellites in Europe,” said Volker Liebig, Director of Earth Observation Programmes at ESA. “It is the first of a new generation of small, dedicated science satellites and it paves the way for more Earth Explorer missions. The scientists are urgently awaiting the data sets from these missions. We have four more launches due over the next two years; this means that we are in for a very busy time.”

GOCE is the first Earth Explorer Core Mission under ESA’s Living Planet Programme which was initiated in 1999 to foster research on the Earth’s atmosphere, biosphere, hydrosphere, cryosphere and interior, their interaction and the impact of human activities on these natural processes. Two more Core Missions, selected to address specific topics of major public concern, are already under development: ADM-Aeolus for atmospheric dynamics (2011), and EarthCARE to investigate the Earth’s radiative balance (2013). Three smaller Earth Explorer Opportunity Missions are also under preparation: Cryosat 2 to measure ice-sheet thickness (2009), SMOS to study soil moisture and ocean salinity (2009) and Swarm to survey the evolution of the magnetic field (2011). fonte ESA

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