Το Wiki της Γεωδαισίας με τίτλο 'ΓΕΩΔΑΙΣΙΑΣ Δείγματα & Παραδείγματα' είναι, από τον Μάρτιο 2011, το ξεκίνημα μιας μηνιαίας έκδοσης ηλεκτρονικού περιοδικού στο γνωστικό αντικείμενο του Εργαστηρίου Ανώτερης Γεωδαισίας, της Σχολής Αγρονόμων και Τοπογράφων Μηχανικών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου.

Στόχος του περιοδικού

Στόχος του περιοδικού είναι να παρουσιάζει μέσα από άρθρα και δημοσιεύσεις των συναδέλφων μηχανικών αλλα και καθηγητών δείγματα της διεπιστημονικής προσέγγισης της Γεωδαισίας σε πολλούς τομείς των γεωεπιστημών, των εφαρμογών ενδιαφέροντος των Μηχανικών Γεωπληροφορικής (Geomatics Engineering) ή/και Γεωτεχνολογίας (Geotechnology Engineering). Παράλληλα, μέσα από άρθρα που καλύπτουν ζητήματα θεωρίας και πράξης που απασχολούν τους σπουδαστές του χώρου, παρουσιάσεις ενδεικτικών αποτελεσμάτων ερευνητικών έργων, πτυχιακών και μεταπτυχιακών εργασιών, ειδικά αφιερώματα κ.λπ. επιδιώκεται η τεκμηρίωση των εξελίξεων στους ραγδαία εξελισσόμενους τομείς της γεωδαισίας, αλλά και της διασύνδεσή της με τις πολλαπλές γνωστικές ενότητες που διατρέχουν το διδακτικό και ερευνητικό έργο του της ΣΑΤΜ, ΕΜΠ.

Μορφή έκδοσης

Επιδίωξη μας είναι τα ηλεκτρονικά τεύχη του Wiki της Γεωδαισίας να εκδίδονται και να κυκλοφορούν σε περιβάλλον διαδικτύου στην αρχή κάθε μήνα του έτους.

Η γλώσσα των άρθρων του περιοδικού είναι η ελληνική. Κάθε άρθρο θα συνοδεύεται από περίληψη στην αγγλική και ελληνική γλώσσα (150 λέξεις περίπου) και λέξεις κλειδιά (μέχρι 5).

Στις 10 Σεπτεμβρίου 2011, στα πλαίσια του ευρύτερου προγράμματος Discovery, η NASA με την εκτόξευση των δίδυμων δορυφόρων της αποστολής GRAIL (Gravity Recovery and Interior Laboratory) σηματοδοτεί για μια ακόμη φορά την παρουσία του ανθρώπου στη Σελήνη, με κύριο στόχο, μέσω της μέτρησης του βαρυτικού πεδίου της, με πρωτοφανείς λεπτομέρειες, να μελετήσει την εσωτερική δομή του πλησιέστερου πλανητικού συντρόφου της Γης, να ανανεώσει την ανθρώπινη φαντασία και εμπνεύσει τη νέα επιστημονική γενιά με τις ερευνητικές προεκτάσεις της νέας αυτής σεληνιακής εξερεύνησης.

Οι πληροφορίες από τους δύο δορυφόρους για το σεληνιακό πεδίο βαρύτητας θα χρησιμοποιηθούν για να 'ακτινογραφήσουν' το εσωτερικό της Σελήνης, από το φλοιό μέχρι τον πυρήνα, για να αποκαλύψουν κάτω από την επιφάνεια την εδαφομηχανική δομή και, έμμεσα, τη θερμική ιστορία της. Με τον τρόπο αυτό, η αποστολή αναμένεται να απαντήσει σε μακροχρόνιες ερωτήσεις σχετικά με τη σχέση της Σελήνης και της Γης, δίνοντας στους επιστήμονες την ευκαιρία καλύτερης κατανόησης του πώς σχηματίστηκαν η Γη και οι άλλοι βραχώδεις πλανήτες στο ηλιακό μας σύστημα.

Η τεχνική που θα χρησιμοποιηθεί για τις μετρήσεις του σεληνιακού πεδίου βαρύτητας εφαρμόστηκε πρωτοποριακά, στην από κοινού από τις ΗΠΑ και τη Γερμανία, δορυφορική απόστολή GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) γύρω από τη Γη, η οποία ξεκίνησε το 2002 και συνεχίζεται επιτυχώς μέχρι σήμερα επιτρέποντας τη μελέτη των αλλαγών που σχετίζονται με την κίνηση της μάζας στο εσωτερικό της Γης, όπως η τήξη των πάγων στους πόλους και οι μεταβολές στην ωκεάνια κυκλοφορία.

ABSTRACT

On September 10, 2011, onboard a Delta II rocket, NASA launched, after a one-day delay, the twin satellites of the much awaited satellite mission GRAIL (Gravity Recovery and Interior Laboratory). This mission signals once again the presence of man on the Moon, with the main objective to study the internal structure and gravitational field of the nearest planetary companion of the Earth, to renew the human imagination and to inspire the new generation of research scientists toward the implications of the new lunar exploration efforts.

The information from the measurements of the Moon's gravity field from the two satellites will be used like X-rays to map the Moon's interior, from crust to core, so that to reveal the moon's subsurface structures and, indirectly, its thermal history. The mission also will answer longstanding questions about Earth's moon and provide scientists a better understanding of how Earth and other rocky planets in the solar system formed.

The measurement technique to be used by GRAIL was pioneered by the joint U.S.-German Earth observing Gravity Recovery and Climate Experiment, or GRACE, mission launched in 2002. The Grace satellites measure gravity changes related to the movement of mass within Earth, such as the melting of ice at the poles and changes in ocean circulation.

Keywords: GRAIL mission, Moon, Internal Structure and Evolution, Gravity Field, εδαφομηχανική δομή Σελήνης, σεληνιακό βαρυτικό πεδίο.

Από την αυγή της διαστημικής εποχής, το 1959, μέχρι σήμερα, η Σελήνη έχει μελετηθεί επαρκώς με συνολικά 109 δορυφορικές αποστολές με διαφορετικούς στόχους και επιτεύγματα.

Από το 1968 έως το 1972, με τη σειρά των δορυφόρων Apollo 11 έως 17 (εκτός από την "επιτυχημένη αποτυχία" της αποστολής του Apollo 13), δώδεκα άνθρωποι έχουν πατήσει το πόδι τους στη σεληνιακή επιφάνεια, μελετώντας τα εδαφομηχανικά χαρακτηριστικά και τη σεισμική συμπεριφορά της Σελήνης, τις επιπτώσεις στην επιφάνεια της από τις πτώσεις μετεωριτών και τον ηλιακό άνεμο, το σεληνιακό βαρυτικό και το μαγνητικό πεδίο κ.ά. ενώ περίπου 382 κιλά δείγματα σεληνιακών βράχων και του εδάφους έχουν μεταφερθεί πίσω στη Γη για περαιτέρω μελέτη.

Επιπλέον, τρεις δορυφόρους βρίσκονται σήμερα σε τροχιά γύρω από τη Σελήνη. Δεδομένης όλης αυτής της δραστηριότητας, θα μπορούσε να αναρωτηθεί κάποιος: γνωρίζουμε όλα όσα θα θέλαμε να γνωρίζουμε για τη Σελήνη; Με λίγα λόγια, η απάντηση είναι ένα σίγουρο όχι.

Η επικρατούσα επιστημονική θεώρηση είναι ότι η Σελήνη σχηματίστηκε όταν ένας υπερμεγέθης πρωτοπλανήτης (επονομαζόμενος Θεία ή Theia) πρόσκρουσε στη Γη (the giant impact hypothesis), τινάζοντας ένα τεράστιο φορτίο γήινου εδαφικού υλικού στο διάστημα που τελικά διαμορφώθηκε και με τη βοήθεια της βαρύτητας σε αυτό που σήμερα αναγνωρίζουμε ως τον δορυφόρο του πλανήτη μας με τη βραχώδη, ερημική επιφάνεια και την έλλειψη ατμόσφαιρας. Όμως, πρόσφατα, μια μελέτη που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature εγείρει νέα ερωτήματα σχετικά με τις γνώσεις μας για τις απαρχές της δημιουργίας της Σελήνης. Μια νέα ανάλυση της χρονολόγησης ισοτόπων μολύβδου και νεοδυμίου, που βρέθηκαν σε δείγματα του σεληνιακών βράχων, έδειξε ότι η Σελήνη είναι ηλικίας 4.360 εκατομμυρίων χρόνων, μέχρι 200 εκατ. χρόνια νεότερη από ότι οι επιστήμονες πίστευαν μέχρι σήμερα. Η συγκεκριμένη μελέτη προτείνει ότι τα παλαιότερα στρώματα φλοιού τόσο της Γης, όσο και της Σελήνης σχηματίστηκαν περίπου την ίδια εποχή, υπογραμμίζοντας ωστόσο ότι η εξαιρετικά μικρή ηλικία του σεληνιακού δείγματος σημαίνει είτε ότι η Σελήνη σταθεροποιήθηκε σημαντικά αργότερα από ότι είχε προηγουμένως εκτιμηθεί, ή ότι πρέπει να αναθεωρηθεί ολόκληρη η μέχρι σήμερα κατανόησή μας για τη γεωχημική ιστορία της Σελήνης.

Περισσότερες πληροφορίες για το διαχρονικό επιστημονικό ενδιαφέρον για τη Σελήνη:

Βιντεοκλίπ 2 - Η επικεφαλής της επιστημονικής ομάδας της NASA,
Dr. Maria Zuber, εξηγεί τους στόχους της αποστολής GRAIL



• GRAIL Mission Overview Site
• Lunar Geophysics, Geodesy, and Dynamics
• The Next Generation Lunar (Planetary) Geodesy
• Lunar Reconnaissance Orbiter
• Ημερολόγιο 2011, με εικόνες από το Lunar Reconnaissance Orbiter
• The Apollo program

Τα γεωδαιτικά πειράματα με τις αποστολές Apollo

Με τις επανδρωμένες αποστολές των διαστημοπλοίων Apollo 11 (το 1969), 14 και 15 (το 1971) και το ρομποτικό όχημα Lunokhod 2(το 1973) (Луноход, moon walker/σεληνιακός περιπατητής στα ρωσικά) αφέθηκαν στην επιφάνεια της Σελήνης ειδικές συστοιχίες ανακλαστήρων λέιζερ (Lunar Laser Ranging RetroReflector arrays, LRRR) που ακόμα μέχρι και σήμερα επιτρέπουν την ακριβή μέτρηση της απόστασης Γης-Σελήνης, μέσω των λεγόμενων σεληνιακών αποστασιόμετρων λέιζερ (Lunar Laser Ranging, LLR, systems). Αυτά είναι γεωδαιτικής τεχνολογίας συστήματα λέιζερ σε ειδικούς σταθμούς στη Γη, τα οποία στοχεύουν στους σεληνιακούς ανακλαστήρες και μετρώντας με πολύ υψηλή ακρίβεια τον χρόνο της διπλής διαδρομής που ααπιτείται για την εκπομπή-ανάκλαση-επιστροφή του φωτός μιας ακτίνας λέιζερ επιτρέπουν να μετρηθεί με μεγάλυ ακρίβεια η απόσταση από τη Σελήνη κάνοντας χρήση της εξίσωσης (στην απλή μορφή της):





Στην πραγματικότητα, ο χρόνος της διπλής διαδρομής διαρκεί περίπου 2.5 sec επηρεάζεται από τη σχετική κίνηση της Γης και της Σελήνης, την περιστροφή της Γης, τη σεληνιακή λίκνιση (lunar libration), την κίνηση των πόλων της Σελήνης (lunar polar motion), την καθυστέρηση της διάδοσης του παλμού λέιζερ μέσα από την ατμόσφαιρα της Γης, την κίνηση του εκάστοτε σταθμού λέιζερ λόγω τεκτονικών μικρομετακινήσεων και των επιδράσεων των παλιρροιών, κ.ά. Παρ 'όλα αυτά, η απόσταση Γης-Σελήνης έχει μετρηθεί με συνεχώς αυξανόμενη ακρίβεια για περισσότερα από 40 χρόνια. Η απόσταση αλλάζει συνεχώς για διάφορους λόγους, αλλά κατά μέσο όρο είναι περίπου 384467 km.

Από την άποψη γεωδαιτικού ενδιαφέροντος, η επανδρωμένη αποστολή Apollo 15, το 1971, ήταν ιδιαίτερης σημασίας δεδομένου ότι μέρος των επιστημονικών της στόχων ήταν η τοποθέτηση στη σεληνιακή επιφάνεια μιας συστοιχίας ανακλαστήρων λέιζερ που είναι η μεγαλύτερη σε μέγεθος (105 x 65 cm) από τις αντίστοιχες που αφέθηκαν κατά τη διάρκεια των αποστολών Apollo 11 και 14. Στην εικόνα 4 φαίνεται από κοντά ο συγκεκριμένος εξοπλισμός των ανακλαστήρων λέιζερ του Apollo 15 (στις σεληνιακές συντεταγμένες 26.1° Ν και 3.6° E) που τοποθετήθηκε στη Σελήνη από τον αστροναύτη David Scott στις 31 Ιουλίου, 1971. Η εν λόγω συστοιχία ανακλαστήρων χρησιμεύει ως πρωταρχικός στόχος για τις γεωδαιτικές μετρήσεις λέιζερ που εκτελούνται προς τη Σελήνη από τους γεωδαιτικούς σταθμούς LLR με σκοπό τη δημιουργία ενός εξαιρετικά ακριβούς συστήματος σεληνιακών συντεταγμένων αναφοράς.

Συγκεκριμένα, η απόσταση των σεληνιακών ανακλαστήρων από τη Γη μετριέται από τους σταθμούς LLR με ακρίβεια της τάξης του εκατοστόμετρου ή καλύτερα, και οι σχετικές θέσεις τους είναι γνωστές με ένα παρόμοιο επίπεδο ακρίβειας. Οι μετρήσεις αυτές μπορούν να χρησιμοποιηθούν για διάφορους γεωδαιτικούς σκοπούς, όπως τον καθορισμό του προσανατολισμού και της τροχιάς της Σελήνης, τον έλεγχο των θεωρήσεων της βαρύτητας και της γενικής θεωρίας της σχετικότητας, και για την αναφορά στο ίδιο σύστημα συντεταγμένων όλων των μετρήσεων, από διαφορετικές αποστολές και χρησιμοποιούμενες τεχνικές, που αφορούν τη Σελήνη.

Ο εντοπισμός σημείων στη Σελήνη διαχρονικά έχει παραμένει μια ιδιαίτερα δύσκολη διαδικασία. Από τον 17ο αιώνα, οι συντεταγμένες της Σελήνης έχουν μετρηθεί σε ένα σύστημα συντεταγμένων που είναι σήμερα γνωστό ως το "μέση Γη / πολικό σύστημα αξόνων" (Mean Earth / Polar axis System) ή ME σύστημα για συντομία. Αυτό είναι ένα σύστημα μέτρησης του γεωγραφικού πλάτους και μήκους, όπου η μέση κατεύθυνση της Γης, κατά την πάροδο του χρόνου, καθορίζει το γεωγραφικό μήκος 0°, ή πρώτο μεσημβρινό, και η μέση κατεύθυνση του πολικού άξονα της Σελήνης ορίζει το βόρειο και νότιο γεωγραφικό πλάτος 90°. Ωστόσο, προκειμένου να χρησιμοποιηθεί αποτελεσματικά ένα τέτοιο σύστημα συντεταγμένων, είναι αναγκαίο να προσδιοριστεί το γεωγραφικό πλάτος και μήκος σε ένα ικανό αριθμό σημείων στη Σελήνη. Αυτός ακριβώς είναι και από τους κυριότερους στόχους που εξυπηρετούν οι συστοιχίες των σεληνιακών ανακλαστήρων LRRR. Με την πάροδο των χρόνων από τότε που τοποθετήθηκαν στη Σελήνη, οι παρατηρήσεις από διαφόρους σταθμούς σεληνιακών μετρήσεων λέιζερ σε διάφορες περιοχές της Γης έχουν υποβληθεί σε επεξεργασία και τη σχετική θέση αυτών των συστοιχιών έχει προσδιοριστεί με ακρίβεια της τάξης του εκατοστόμετρου. Αυτές οι σχετικές συντεταγμένες έχουν μετατραπεί σε απόλυτες συντεταγμένες γεωγραφικού πλάτους και μήκους σύμφωνα με τον παραπάνω ορισμό του σεληνιακού συστήματος ME, και έτσι αποτελούν τα μόνα σημεία στη Σελήνη των οποίων οι θέσεις είναι περισσότερο επακριβώς γνωστές.

Μέρος των γεωδαιτικών στόχων της αποστολής Apollo 17, ήταν το λεγόμενο πείραμα βαρυτημετρικής όδευσης (Traverse Gravimetric Experiment, TGE) που είχε ως πρωταρχικό στόχο να εκτελεστούν εξαιρετικά ακριβείς μετρήσεις του πώς η βαρύτητα της Σελήνης ποικίλει με το χρόνο, σε μια προσπάθεια να ανιχνευθούν κύματα βαρύτητας, τα οποία προβλέπονται από τη θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν. Ήταν σχεδιασμένο να γίνουν σχετικές μετρήσεις της βαρύτητας σε διάφορα σημεία της περιοχής προσελήνωσης και να χρησιμοποιηθούν για να ληφθούν πληροφορίες σχετικά με το γεωλογικό υπόστρωμα της Σελήνης. Ένας δευτερεύων στόχος ήταν να υπολογισθεί η τιμή της βαρύτητας στο σημείο της προσελήνωσης προκειμένου να μπορεί να συγκριθεί με την επακριβώς γνωστή μέση τιμή της βαρύτητας στη Γη.



Για το σκοπό αυτό, ως μέρος του εξειδικευμένου εξοπλισμού (τα λεγόμενα Apollo Lunar Surface Experiments Package, ALSEP) που μετέφεραν οι αποστολές Apollo στην επιφάνεια της Σελήνης για συγκεκριμένα πειράματα, μεταφέρθηκε ειδικό σεληνιακό βαρυτήμετρο (Lunar Surface Gravimeter, LSG), το οποίο ήταν ουσιαστικά ένα ευαίσθητο βαρυτήμετρο ελατηρίων (spring balance gravimeter) που επίσης λειτουργούσε και ως σεισμόμετρο ενός άξονα και αποσκοπούσε στο να κάνει πολύ ακριβείς (1 μέρος σε 10¹¹) μετρήσεις της σεληνιακής βαρύτητας και της μεταβολής της με το χρόνο, προκειμένου οι μετρήσεις αυτές να συμβάλουν στη μελέτη της σεισμικότητας και της παλιρροιακής παραμόρφωση του εσωτερικού της Σελήνης, Δυστυχώς ωστόσο, το πείραμα απέτυχε εξαιτίας ενός κατασκευαστικού προβλήματος του σεληνιακού βαρυτήμετρου.

Ο δορυφόρος Lunar Reconnaissance Orbiter

Πριν από την αποστολή GRAIL, η πιο πρόσφατη προηγούμενη δορυφορική αποστολή που είναι σήμερα σε λειτουργία γύρω από τη Σελήνη είναι ο δορυφόρος LRO (Lunar Reconnaissance Orbiter) που εκτοξεύθηκε τον Ιούνιο 2009.

Ο LRO σηματοδοτεί το νέο ερευνητικό ενδιαφέρον της NASA για τον εντοπισμό της επόμενης περιοχής προσελήνωσης για μια επανδρωμένη αποστολή στη Σελήνη, ως ένα πρώτο βήμα προετοιμασίας για μια παρόμοια αποστολή στον Άρη και άλλους πλανήτες, υποστηρίζοντας έτσι την επέκταση της ανθρώπινης παρουσίας στο ηλιακό σύστημα. Για τους σκοπούς αυτούς, μεταφέρει μιας σειρά από επτά προηγμένους αισθητήρες (CRaTER, DIVINE, LAMP, LEND, LOLA, LROC, Mini RF) μεταξύ των οποίων γεωδαιτικού ενδιαφέροντος είναι η ψηφιακή κάμερα LROC (Lunar Reconnaissance Orbiter Camera) και το λέιζερ αλτίμετρο (υψομετρητής) LOLA (Lunar Orbiter Laser Altimeter), τα οποία, πέρα από τους στόχους για την εξεύρεση ασφαλών χώρων προσελήνωσης, θα επιτρέψουν να δημιουργηθούν οι πιο ακριβείς και λεπτομερείς τοπογραφικοί χάρτες της σεληνιακής επιφάνειας μέχρι σήμερα, που με τη σειρά τους θα είναι ζωτικής σημασίας για την επισήμανση των κατάλληλων τοποθεσιών για τις μελλοντικές επανδρωμένες αποστολές στη Σελήνη.

Συγκεκριμένα, η προηγμένης τεχνολογίας ψηφιακή κάμερα LROC έχει ήδη δώσει υψηλής ανάλυσης ασπρόμαυρες εικόνες της σεληνιακής επιφάνειας, μέχρι και για τις περιοχές των σεληνιακών πόλων, με διακριτικότητα κάτω από 1 m, καθώς και έγχρωμες (και στο υπεριώδες) εικόνες. Οι εικόνες αυτές θα προσφέρουν τις απαιτούμενες γνώσεις για τις συνθήκες φωτισμού στις πολικές περιοχές, τον εντοπισμό πιθανών πόρων και τοποθεσιών πιθανών κινδύνων, και θα συνεισφέρουν στην προσπάθεια επιλογής τοποθεσιών ασφαλούς προσελήνωσης. Iδιαίτερη έμφαση δίνεται στις πολικές περιοχές της Σελήνης, όπου η συνεχής πρόσβαση σε ηλιακό φως μπορεί να είναι δυνατή και μπορεί να υπάρχει η προοπτική ανεύρεσης νερού στις μόνιμα σκιασμένες περιοχές στους πόλους.



Ήδη από τον πρώτο μήνα λειτουργίας της (μεταξύ 11 και 15/7/2009), απεικονίστηκαν με υψηλή ευκρίνεια οι περιοχές των σημείων προσσελήνωσης των διαστημικών ακάτων (Apollo Landing Sites) των αποστολών Apollo 11, 14, 15, 16 και 17. Λίγο πριν από την εκτόξευση της αποστολής GRAIL (6/9/2011) δόθηκαν στη δημοσιότητα πιο πρόσφατες LRO εικόνες από την περιοχή του Apollo 12 και από την επαναφωτογράφηση των τοποθεσιών Apollo 14 και 17 με τρεις φορές καλύτερης διακριτική ικανότητα.



Για παράδειγμα, οι εικόνες 7α και 7β, στις οποίες η φωτεινότητα και η αντίθεση έχουν αλλάξει για να τονιστούν οι λεπτομέρειες της σεληνιακής επιφάνειας, δείχνουν τις περιοχές προσελήνωσης του Apollo 12 και του Apollo 14 αντίστοιχα. Σε αυτές φαίνονται καθαρά οι διαδρομές που δημιουργήθηκαν από τα σεληνιακά οχήματα, όταν οι αστροναύτες διερεύνησαν τη σεληνιακή επιφάνεια. Επίσης διακρίνονται οι σεληνιακές άκατοι Intrepid (Apollo 12) και Antares (Apollo 14) που χρησιμοποιήθηκαν για την κάθοδο των αστροναυτών στη σεληνιακή επιφάνεια, καθώς επίσης και τα παρατημένα όργανα των εξοπλισμών ALSEP (Apollo Lunar Surface Experiments Package).

Τα ίχνη που άφησε ο άνθρωπος στη Σελήνη στη διάρκεια των αποστολών εξερεύνησης, τα οποία φέρνουν στο φως οι καινούργιες φωτογραφίες υψηλής ανάλυσης που έστειλε στη Γη η κάμερα LROC του δορυφόρου LRO, προβάλονται επίσης σαφέστερα στο βιντεοκλίπ 3, όπου διακρίνονται ξεκάθαρα τα «σημάδια» που άφησαν τα διαστημόπλοια Apollo 12, 14 και 17 κατά την προσεδάφισή τους στη Σελήνη, καθώς και οι πατημασιές που άφησε ο τελευταίος Αμερικανός αστροναύτης που περπάτησε στη Σελήνη το 1972.

Το αλτίμετρο λέιζερ LOLA, κάτι ανάλογο με το λέιζερ αλτίμετρο που χρησιμοποιήθηκε στον δορυφόρο της Γης ICESat, χρησιμοποιεί ένα σύστημα ακτίνων λέιζερ (Q-switched Nd: YAG με ταλαντωτή που λειτουργεί στα 1064.4 nm), το οποίο εκπέμπει συγχρόνως πέντε δέσμες παλμών λέιζερ που διαχωρίζονται κατά 500±20 μrad και φωτίζουν τη σεληνιακή επιφάνεια αποκλίνοντας μόλις κατά 100±10 μrad και περίπου με την ίδια ενέργεια του παλμού, αν και κάποιες παραλλαγές της ενέργειας από δέσμη σε δέσμη οφείλονται σε ατέλειες των περιθλαστικών οπτικών στοιχείων του συστήματος λέιζερ (diffractive optical elements).

Το βιντεοκλιπ 4 απεικονίζει τη λειτουργική διαδικασία του σεληνιακού αλτίμετρου LOLA και πως αυτό, μέσω της εκπομπής 5 παλμών λέιζερ, μετρά τις υψομετρικές διακυμάνσεις της σεληνιακής επιφάνειας.

Για κάθε δέσμη, μετράται η χρόνος της διπλής διαδρομής του παλμού, η σκέδαση του παλμού (που σχετίζεται με την τραχύτητα της σεληνιακής επιφάνειας), και η ενέργεια του παλμού διάδοσης/επιστροφής (που σχετίζεται με την ανακλαστικότητα του παλμού). Από την ονομαστική χαμηλή τροχιά του δορυφόρου, σε υψος 50 km πάνω από την επιφάνεια της Σελήνης, κάθε μικρή περιοχή πρόσπτωσης του εκάστοτε παλμού λέιζερ (laser footprint) είναι περίπου διαμέτρου 5 m, δεδομένου ότι το οπτικό πεδίο (FOV, field of view) είναι 20 m, ενώ η συνολική επιφάνεια πρόσπτωσης εκάστης δέσμης (των πέντε) παλμών λέιζερ είναι περίπου διαμέτρου 50 m. Το σχηματιζόμενο μοτίβο των εν λόγω περιοχών πρόσπτωσης του λέιζερ στο έδαφος επιτρέπει την ακριβή μέτρηση των εδαφικών κλίσεων και της τραχύτητας της σεληνιακής επιφάνειας κατά μήκος του ίχνους και κατά την εγκάρσια διεύθυνση στο ίχνος της εκάστοτε τροχιάς. Από από αυτά τα δεδομένα μπορούν να δημιουργηθούν υψηλής ανάλυσης 3D χάρτες της Σελήνης. Το LOLA θα προσδιορίσει επίσης τις μονίμα φωτισμένες και τις μόνιμα σκιασμένες περιοχές της Σελήνης, με την ανάλυση των υψομετρικών αυξομειώσεων της σεληνιακής επιφάνειας.

Το βιντεοκλιπ 5 δείχνει ένα δείγμα πρόσφατου τοπογραφικού χάρτη της Σελήνης που είναι ενδεικτικός του πως ο δορυφόρος LRO επιτρέπει στους ερευνητές να δημιουργήσουν τους πιο ακριβείς και πλήρεις χάρτες, μέχρι σήμερα, για την πολύπλοκη τοπογραφία της Σελήνης που κυριαρχείται σε μεγάλο βαθμό από ενα μορφολογικό τοπίο γεμάτο από ποικίλου μεγέθους κρατήρες. Ο συγκεκριμένος χάρτης που βασίστηκε κυρίως στα δεδομένα του σεληνιακού αλτίμετρου LOLA και καταρτίστηκε το 2009 (δεξιά) συγκρίνεται στο βίντεο με έναν αντίστοιχο χάρτη που προέρχεται από δεδομένα του λεγόμενου Ενιαίο Σεληνιακό Δίκτυο Ελέγχου (ULCN, Unified Lunar Control Network) που κατασκευάστηκε το 2005 με τα καλύτερα διαθέσιμα δεδομένα κατά την εποχή εκείνη (π.χ. ψηφιακές εικόνες από τις δορυφορικές αποστολές Clementine, Mariner 10 και Galileo, καθώς και φωτογραφίες της Σελήνης από τη Γη και από τις αποστολές Apollo).

Για τις ανάγκες τις αποστολής LRO, καθώς και για το γενικό σκοπό του εντοπισμού των θέσεων άλλων σημείων ενδιαφέροντος στη Σελήνη, γνωρίζοντας τις θέσεις μόνο των τεσσάρων σημείων αναφοράς LRRR δεν είναι ιδιαίτερα χρήσιμο. Ως εκ τούτου σήμερα, ένα σημαντικό βήμα για να μπορούμε να χρησιμοποιούν τα δεδομένα από την δορυφορική αποστολή LRO, καθώς και από τις προηγούμενες δορυφορικές αποστολές στη Σελήνη, είναι απαραίτητο να συνδεθούν το σύνολο των διαθέσιμων δεδομένων με τις συντεταγμένες που προκύπτουν από τη χρήση των συστημάτων LLR.

Για τα δεδομένα της αποστολής LRO, ένα τέτοιο πρώτο βήμα αποτελεί ο καθορισμός των συντεταγμένων των LROC ψηφιακών εικόνων (κάτι ανάλογο της απαιτούμενης διαδικασίας γεωαναφοράς ψηφιακών εικόνων της γήινης επιφάνειας) και των ψηφιακών υψομετρικών μοντέλων (DEMs) που καλύπτουν τις περιοχές LRRR. Ένα δεύτερο βήμα συνίσταται στη σύγκριση των δεδομένων του υψομετρητή LOLA με αυτές τις εν λόγω ψηφιακές εικόνες και DEMs, ώστε να επιβεβαιωθεί ότι το σύνολο των υψομετρικών δεδομένων του LOLA αναφέρεται επίσης στο ίδιο σύστημα συντεταγμένων LLR. Το τελικό βήμα θα είναι να διασφαλισθεί ότι οι σεληνιακές βάσεις δεδομένων θα είναι στο ίδιο σύστημα συντεταγμένων, ώστε τα δεδομένα αυτά να μπορούν να χρησιμοποιηθούν μαζί, στο μέλλον, για τον περαιτέρω σχεδιασμό δραστηριοτήτων ανθρώπινης εξερεύνησης της Σελήνης και συναφών επιστημονικών ερευνών.

Η δορυφορική αποστολή GRAIL αποτελεί μέρος του προγράμματος Discovery της NASA, η οποία από το 1992, με μια σειρά από 10 διαστημικά σκάφη, έχει ξεκινήσει την συστηματική μελέτη του ηλιακού μας συστήματος – με πιο πρόσφατο παράδειγμα το διαστημικό σκάφος Juno που από τον περασμένο μήνα έχει ξεκινήσει ένα πενταετές ταξίδι προς τον Δία, με τελικό στόχο να μελετηθεί η εδαφολογική ιστορία του μεγαλύτερου πλανήτη του ηλιακού μας συστήματος.

Ο κύριος στόχος της αποστολής GRAIL είναι να επιτρέψει τη χαρτογράφηση των παραλλαγών της σεληνιακής βαρύτητας προκειμένου οι πληροφορίες αυτές για να αυξήσουν τις γνώσεις μας για τη σύσταση του εσωτερικού της Σελήνης και, έμμεσα, τη θερμική ιστορία της. Η Σελήνη είναι το πιο προσιτό και καλύτερα μελετημένο βραχώδες ουράνιο σώμα πέρα από τη Γη. Ωστόσο, σε αντίθεση με τη Γη, γεωλογία της επιφάνεια της Σελήνης διατηρεί αναλλοίωτο σχεδόν το σύνολο της 4.5 δισεκατομμυρίων ετών ιστορίας του ηλιακού μας συστήματος. Παρατηρήσεις από δορυφόρους σε τροχιά γύρω από αυτήν σε συνδυασμό με τα δείγματα των πετρωμάτων από την επιφάνεια της που επέστρεψαν στη Γη με τις αποστολές Apollo, δείχνουν ότι κανένα άλλο ουράνιο σώμα δεν διατηρεί τη γεωλογική ιστορία του τόσο καθαρά όπως η Σελήνη.

Η δομή και η σύνθεση του εσωτερικού της Σελήνης (και κατά τεκμήριο η φύση και η χρονική εξέλιξη των εσωτερικών διεργασιών τήξης και απώλειας θερμότητας) αποτελούν το κλειδί για την ανασυγκρότηση αυτής της ιστορίας. Μακροχρόνια ερωτήματα όπως η προέλευση των σεληνιακών "θαλασσών", ο λόγος για την ασυμμετρία στο πάχος του φλοιού, και η εξήγηση για την αινιγματική μαγνήτιση των βράχων του φλοιού, απαιτούν μια πολύ καλύτερη κατανόηση του εσωτερικού της Σελήνης προκειμένου να εξηγηθούν. Η αποκρυπτογράφηση της δομής του εσωτερικού θα οδηγήσει στην κατανόηση της εξέλιξης της Σελήνης, αλλά και κατ' επέκταση οι γνώσεις σχετικά με την προέλευση και τη θερμική εξέλιξη της Σελήνης θα μποέσουν να επεκταθούν και για τους άλλους πλανήτες στο εσωτερικό του ηλιακού συστήματος.

Αυτό η ανάγκη να κατανοήσουμε την εσωτερική δομή της Σελήνης, ώστε να μπορεί να ανακατασκευαστεί η πλανητική εξέλιξή της καθορίζει και τους πρωταρχικούς επιστημονικούς στόχους της αποστολής GRAIL, που είναι να προσδιοριστούν η εσωτερική δομή της Σελήνης από το φλοιό ως τον πυρήνα και να προαχθεί η γνώση μας για τη θερμική εξέλιξη της Σελήνης. Οι δίδυμοι δορυφόροι της θα επιτύχουν τους στόχους αυτούς με την εκτέλεση, σε παγκόσμια, περιφερειακή και τοπική κλίμακα, υψηλής ανάλυσης (30x30 km) και υψηλής ακρίβειας (<10 mgal) μετρήσεων του σεληνιακού πεδίου βαρύτητας, πετώντας σε χαμηλό υψόμετρο (50 km) πολικές τροχιές και χρησιμοποιώντας ακριβείς μετρήσεις των αποστάσεων μεταξύ των δύο διαστημικών σκαφών από ραδιοσήματα στη ζώνη Ka-band.

Προκειμένου να τεθούν τα δύο διαστημικά σκάφη στην απαιτούμενη κατάλληλη διάταξη σχηματισμού, απαιτείται μια εξαιρετικά προκλητική σειρά από ελιγμούς που είναι σχεδιασμένοι να πραγματοποιηθούν για πρώτη φορά από διαστημικές αποστολές εξερεύνησης του ηλιακού μας συστήματος.



Οι δύο πανομοιότυποι δορυφόροι GRAIL A και B (στο μέγεθος δύο πλυντηρίων ρούχων) εκτοξεύθηκαν μαζί, αλλά στη συνέχεια θα διανύσουν παρόμοιες αλλά χωριστές πορείες στη Σελήνη μετά το χωρισμό τους από το όχημα εκτόξευσης, μέχρι την προγραμματισμένη άφιξη τους εκεί περίπου μετά από περίπου 3.5 μήνες – ο GRAIL A παραμονές της πρωτοχρονιάς το 2012 και ο GRAIL Β την ημέρα της πρωτοχρονιάς. Ήδη τα πρώτα ραδιοσήματα από το δορυφόρο GRAIL-A ελήφθηκαν στις 10:29 π.μ. EDT (14.29 π.μ. GMT), ενώ αντίστοιχα ραδιοσήματα από το δορυφόρο GRAIL-Β ελήφθηκαν οκτώ λεπτά αργότερα. Η τηλεμετρία και από τα δύο διαστημόπλοια δείχνει ότι και τα δύο διαστημικά σκάφη έχουν αναπτύξει τα ηλιακά κάτοπτρα τους και λειτουργούν όπως αναμένεται.

Ενδεικτικά, αξίζει να σημειωθεί ότι αν και η απ' ευθείας απόσταση από τη Γη στη Σελήνη είναι περίπου 402,336 km και οι αποστολές Apollo της NASA χρειαζόταν περίπου τρεις μέρες για να καλύψουν την απόσταση αυτή, τα διαστημικά σκάφη GRAIL θα χρειαστούν μεγαλύτερο χρονικό διάστημα ταξιδιού και θα καλύψουν πάνω από 4 εκατομμύρια km για να φθάσουν στη Σελήνη, επειδή θα ακολουθήσουν καθοδόν διαδοχικά συγκλίνουσες τροχιές.

Η ιδέα της αργής αυτής προσέγγισης στη Σελήνη είναι να μειωθεί η κατανάλωση καυσίμων και να αυξηθούν οι ευκαιρίες μετάδοσης και επικοινωνίας περισσότερων δεδομένων μεταξύ των δορυφόρων και των σταθμών ελέγχου στη Γη, προκειμένου οι ελεγκτές της αποστολής, μέχρι οι δορυφόροι να φθάσουν στη Σελήνη, να έχουν ένα μεγάλο χρονικό παράθυρο στη διάθεση τους για να τοποθετήσουν τα δύο διαστημόπλοια στις απαιτούμενες αποστάσεις μεταξύ τους.

Οι διαστημικοί ελιγμοί τους αναμένεται να διαρκέσουν περίπου άλλους 2 μήνες, τοποθετώντας τα δύο διαστημικά σκάφη στην ίδια σχεδόν κυκλική πολική τροχιά γύρω από τη Σελήνη, το ένα μετά το άλλο σε μεταξύ τους απόσταση περίπου 175-225 km και στο ίδιο χαμηλό υψόμετρο, 55 χιλιόμετρα πάνω από τη σεληνιακή επιφάνεια. Οι επόμενες 82 ημέρες που θα επακολουθήσουν θα αποτελέσουν την κύρια φάση της προγραμματισμένης επιστημονικής έρευνας, κατά την οποία τα δύο διαστημικά σκάφη, ανιχνεύοντας με τους ευαίσθητους αισθητήρες τους τις πλέον ελάχιστες βαρυτικές μεταβολές, θα χαρτογραφήσουν με κάθε λεπτομέρεια το βαρυτικό πεδίο της Σελήνης.

Καθώς οι δύο δορυφόροι θα πετούν πάνω από περιοχές μεγαλύτερης και μικρότερης βαρύτητας που προκαλούνται τόσο από τα ορατά μορφολογικά χαρακτηριστικά της Σελήνης, όπως βουνά και κρατήρες, καθώς και από τις μάζες κάτω από τη σεληνιακή επιφάνεια, οι αποστάσεις μεταξύ τους θα ελέγχονται προσεκτικά με ακρίβεια μερικών μικρών (10^-6 m) (μικρότερη από το πλάτος μιας ανθρώπινης τρίχας), καθώς οι ασκούμενες βαρυτικές έλξεις θα τους κάνουν να κινούνται ελαφρώς πλησιέστερα και μακρύτερα ο ένας από τον άλλο. Κατάλληλοι αισθητήρες σε κάθε ένα διαστημικό σκάφος, τα λεγόμενα Σεληνιακά Βαρυτημετρικά Συστήματα Λέιζερ (Lunar Gravity Ranging Systems, LGRS), θα μετρούν με μεγάλη ακρίβεια τις οποιεσδήποτε τέτοιες αλλαγές στην σχετική ταχύτητα τους, και από την ανάλυση των εν λόγω μετρήσεων οι συλλεγόμενες πληροφορίες θα μεταφράζονται σε υψηλής ανάλυσης χάρτες του βαρυτικού πεδίου της Σελήνης. Με άλλα λόγια, τα δύο διαστημόπλοια θα "κυνηγούν" ουσιαστικά ο ένας τον άλλο γύρω από τη Σελήνη, χαρτογραφώντας τις ανεπαίσθητες μεταβολές της σεληνιακής βαρύτητας καθώς θα περιστρέφονται γύρω από αυτή στην πολική τροχιά τους. Για παράδειγμα, έαν το πρώτο διαστημικό σκάφος πετά πάνω από ένα τεράστιο σεληνιακό βουνό, η αυξημένη βαρυτική έλξη του βουνού θα προκαλέσει στο διαστημικό σκάφος μια επιτάχυνση, η αλλιώς την απομάκρυνση του από το δεύτερο διαστημικό σκάφος. Με τη συνεχή παρακολούθηση των μεταβολών των θέσεων τους στην τροχιά τους, οι επιστήμονες θα δημιουργήσουν χάρτες που αναμένεται να βελτιώσουν τις σημερινές γνώσεις μας για τη βαρύτητα της Σελήνης στην κοντινή πλευρά προς τη Γη κατά περίπου 100 φορές και για τη βαρύτητα στην μακρινή πλευρά από τη Γη κατά περίπου 1000 φορές.

Κάθε δορυφόρος GRAIL είναι εφοδιασμένος με ένα προηγμένης τεχνολογίας σύστημα φωτομηχανών που ονομάζεται MoonKAM – ‘Moon Knowledge Acquired by Middle school students’. Το MoonKAM αποτελείται ουσιαστικά από τέσσερεις κάμερες προσανατολισμένες σε διαφορετικές διευθύνσεις - από μια κάμερα να κοιτάει προς την εμπρόσθια και την οπίσθια διεύθυνση της τροχιάς του δορυφόρου και δύο κάμερες να κοιτούν κατακόρυφα προς την επιφάνεια της Σελήνης. Αυτές θα λαμβάνουν βίντεο και ψηφιακές εικόνες της Σελήνης με ρυθμό έως 30 fps, οι οποίες θα μεταδίδονται με κατερχόμενη ζεύξη επικοινωνίας στο Κέντρο Ελέγχου της αποστολής στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο San Diego και ακολούθως θα διατίθενται για εκπαιδευτικούς σκοπούς. Αυτό το μέρος της αποστολής GRAIL έχει σχεδιαστεί σε συνεργασία με το μορφωτικό ίδρυμα Sally Ride Science.


Η πρώην αστροναύτης της NASA Sally Ride, η πρώτη γυναίκα αστροναύτης της Αμερικής που συμμετείχε, το 1983, στην αποστολή του διαστημικού λεωφορείο Challenger, ηγείται της μεγαλύτερης συντονισμένης προσπάθειας δημοσιοποίησης των στόχων της αποστολής GRAIL (GRAIL MoonKam outreach program), η οποία περιλαμβάνει την ανάπτυξη, μεταξύ ποικίλων άλλων εκπαιδευτικών δραστηριοτήτων, μιας εφαρμογής iPhone που θα επιτρέπει σε μαθητές να παρακολουθούν σε πραγματικό χρόνο την τροχιά του διαστημικού οχήματος πάνω από τη σεληνιακή επιφάνεια.

Όταν οι κάμερες του GRAIL ενεργοποιηθούν, τον Μάρτιο του 2012, μαθητές θα μπορούν να συμμετάσχουν σε εκπαιδευτικές δραστηριότητες συναφείς με τη σεληνιακή εξερεύνηση μέσω των δεδομένων της MoonKAM. Συγκεκριμένα θα μπορούν να επιλέξουν περιοχές-στόχους στη σεληνιακή επιφάνεια και να αποστείλουν σχετικά αιτήματα στο Κέντρο Επιχειρήσεων της MoonKAM (MOC). Φωτογραφίες από τις περιοχές ενδιαφέροντος, θα αποστέλλονται από τους δορυφόρους GRAIL και θα διατίθενται στον ειδικό δικτυακό τόπο "GRAIL MoonKAM" που έχει ήδη δημιουργηθεί. Οι μαθητές θα χρησιμοποιήσουν τις εικόνες για τη μελέτη των σεληνιακών μορφολογικών χαρακτηριστικών, όπως κρατήρες, ορεινές περιοχές, και των σεληνιακών 'θαλασσών', ενώ επίσης θα μπορούν να εκπαιδευθούν στις διαδικασίες αναγνώρισης μελλοντικών τοποθεσιών προσελήνωσης στην επιφάνεια της Σελήνης.

Από τα πρώτα βλέμματα του ανθρώπου προς τον ουρανό, η Σελήνη συνεχίζει να τον γοητεύει με τα μυστήρια της. Η αποστολή GRAIL θα φέρει τη σεληνιακή εξερεύνηση σε ένα νέο επίπεδο επιστημονικής γνώσης, παρέχοντας έναν άνευ προηγουμένου χαρακτηρισμό του εσωτερικού της που θα διευρύνει την κατανόηση του ανθρώπου για το πως σχηματίστηκε και εξελίχθηκε η Σελήνη.

Όταν οι ερευνητές συγκεντρώσουν το αναμενόμενα βαρυτημετρικά δεδομένα της αποστολής GRAIL, θα μπορούν να αρχίσουν να μελετούν τη γεωλογική δομή κάτω από τη σεληνιακή επιφάνεια. Για παράδειγμα, οι κρατήρες και τα βουνά στην επιφάνεια προκαλούν μικρές διαφοροποιήσεις στο βαρυτικό πεδίο. Αλλά καθώς η κατανόηση των βαρυτικών αυτών μεταβολών θα αυξάνεται, θα μπορούν να αφαιρεθούν οι επιδράσεις τους για να αντληθούν καλύτερες πληροφορίες για βαρύτητα στο εσωτερικό της Σελήνης. Τέτοιοι χάρτες "ανωμαλιών βαρύτητας", κατ΄ αναλογία με τους αντίστοιχους χάρτες που χρησιμοποιούν οι γεωδαίτες και οι γεωφυσικοί στη Γη, θα μπορέσουν να δείξουν την εδαφική σύσταση κάτω από τη σεληνιακή επιφάνεια και πώς είναι η στρωματογραφία των διαφορετικών ειδών βράχων στο εσωτερικό της Σελήνης.

Επιπλέον, ακριβώς όπως η Σελήνη δημιουργεί παλίρροιες στη Γη, η έλξη της Γης δημιουργεί παλίρροιες στη Σελήνη. Αν στο εσωτερικό της Σελήνης συμβαίνουν διεργασίες τήξης, το υγρό υλικό να κινείται με την παλίρροια και, με τη σειρά του θα προκαλεί ανεπαίσθητες αλλαγές στις θέσεις των διαστημικών σκαφών. Αυτές οι μεταβολές θα έχουν να μας πουνε κάτι για το ιξώδες των υγρών στο εσωτερικό της Σελήνης.

Με τον τρόπο αυτό, ελπίζεται ότι οι σχετικές μελέτες θα είναι σε θέση να ανακατασκευάσουν ολόκληρη την ιστορία της Σελήνης. Για παράδειγμα, τι προκάλεσε την εγγύς πλευρά της Σελήνης να είναι τόσο διαφορετική από την αθέατη πλευρά της; Τον περασμένο μήνα, ένα άρθρο στο περιοδικό Nature έθεσε ευθέως την πρόταση ότι ο λόγος που η εγγύς προς τη Γη πλευρά της Σελήνης είναι χαμηλή και επίπεδη, ενώ η σκοτεινή πλευρά της είναι ορεινή και με πληθώρα κρατήρων, οφείλεται στη λεγόμενη "μεγάλη βουτιά" (Big Splat). Η κεντρική ιδέα αυτής της θεώρησης είναι ότι η Γη δεν είχε αρχικά μόνο ένα φεγγάρι, αλλά και ένα άλλο μικρότερο δορυφόρο που έπληξε τη Σελήνη με μικρή ταχύτητα και άφησε στην αθέατη πλευρά ένα επιπλέον, ανώμαλο στρώμα πλανητικού υλικού στην επιφάνειά της. Στο συγκεκριμένο άρθρο, οι συγγραφείς του κάνουν πολύ συγκεκριμένες προβλέψεις για το πως θα πρέπει να είναι το εσωτερικό της Σελήνης, κάτι που αναμένεται με εξαιρετικό επιστημονικό ενδιαφέρον, να διασταυρωθεί από την αποστολή GRAIL εάν οι προβλέψεις αυτές είναι σωστές.

Βιβλιογραφία

1. NASA Readies Twin Lunar Spacecraft
2. GRAIL | Gravity Recovery and Interior Laboratory: By ΜΙΤ.edu
3. Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) Project Mission Requirements
4. Lunar Reconnaissance Orbiter Spacecraft & Objectives
5. The Lunar Orbiter Laser Altimeter Investigation on the Lunar Reconnaissance Orbiter Mission