มาตรวิทยาด้วยดาวเทียมและอวกาศ

ดาวเทียมได้พลิกโฉมมาตรวิทยา โดยให้กรอบอ้างอิงทั่วโลก การระบุตำแหน่งระดับมิลลิเมตร และการวัดสนามแรงโน้มถ่วงของโลกโดยตรง รวมถึงการเปลี่ยนแปลงเมื่อเวลาผ่านไป

Definition

มาตรวิทยาด้วยดาวเทียมและอวกาศคือการกำหนดรูปทรงเรขาคณิตของโลก สนามแรงโน้มถ่วง การวางแนว และการเปลี่ยนแปลงตามเวลา โดยใช้การสังเกตการณ์จากและจากดาวเทียมประดิษฐ์และแหล่งกำเนิดคลื่นวิทยุจากนอกกาแล็กซี รวมถึงระบบระบุตำแหน่ง การวัดระยะ การวัดความสูง และภารกิจการทำแผนที่แรงโน้มถ่วง

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมเทคนิคทางอวกาศของมาตรวิทยาสมัยใหม่: ระบบนำทางด้วยดาวเทียมทั่วโลกสำหรับการระบุตำแหน่งที่แม่นยำ, การวัดระยะด้วยเลเซอร์จากดาวเทียมและการแทรกสอดฐานเส้นยาวมากสำหรับกรอบอ้างอิงและการหมุนของโลก, การวัดความสูงด้วยดาวเทียมสำหรับพื้นผิวทะเลและการวัดจีออยด์, และภารกิจแรงโน้มถ่วงเฉพาะที่กู้คืนสนามแรงโน้มถ่วงที่เปลี่ยนแปลงตามเวลา หัวข้อนี้กล่าวถึงคำจำกัดความและการทำให้เป็นจริงของกรอบอ้างอิงภาคพื้นดิน และสัญญาณทางธรณีฟิสิกส์ที่วิธีการเหล่านี้ตรวจจับได้ ตั้งแต่การเคลื่อนที่ของแผ่นเปลือกโลกไปจนถึงการกระจายมวลใหม่ เน้นที่วิธีการสังเกตการณ์จากอวกาศกำหนดตำแหน่ง รูปร่าง การหมุน และแรงโน้มถ่วง

Core questions

• ระบบนำทางด้วยดาวเทียมบรรลุการระบุตำแหน่งทั่วโลกที่แม่นยำได้อย่างไร?
• กรอบอ้างอิงภาคพื้นดินและการหมุนของโลกถูกทำให้เป็นจริงจากอวกาศได้อย่างไร?
• การวัดความสูงด้วยดาวเทียมวัดพื้นผิวทะเลและจีออยด์ทางทะเลได้อย่างไร?
• ภารกิจเฉพาะกู้คืนสนามแรงโน้มถ่วงที่เปลี่ยนแปลงตามเวลาได้อย่างไร?

Key concepts

• ระบบนำทางด้วยดาวเทียมทั่วโลกและการระบุตำแหน่งที่แม่นยำ
• การวัดระยะด้วยเลเซอร์จากดาวเทียมและการแทรกสอดฐานเส้นยาวมาก
• กรอบอ้างอิงภาคพื้นดินและการวางแนวของโลก
• การวัดความสูงด้วยดาวเทียม
• แรงโน้มถ่วงที่เปลี่ยนแปลงตามเวลาจากภารกิจดาวเทียม

Key theories

กรอบอ้างอิงและการระบุตำแหน่งทางมาตรวิทยาอวกาศ

การรวมกันของการนำทางด้วยดาวเทียม การวัดระยะด้วยเลเซอร์ และการแทรกสอดทางวิทยุ ทำให้เกิดกรอบอ้างอิงทั่วโลกที่เสถียรและตำแหน่งระดับมิลลิเมตร ซึ่งช่วยให้สามารถวัดการเคลื่อนที่ของแผ่นเปลือกโลก การเปลี่ยนรูปของเปลือกโลก และการหมุนของโลกได้โดยตรง

แรงโน้มถ่วงที่เปลี่ยนแปลงตามเวลาจากดาวเทียม

การติดตามการเปลี่ยนแปลงระยะห่างระหว่างหรือการรบกวนของดาวเทียมที่โคจรอยู่ จะกู้คืนแผนที่สนามแรงโน้มถ่วงรายเดือน ซึ่งการเปลี่ยนแปลงจะบันทึกการกระจายตัวของน้ำ น้ำแข็ง และมวลอื่นๆ ที่พื้นผิวและใต้พื้นผิว

Mechanisms

การจับเวลาสัญญาณจากดาวเทียมนำทางอย่างแม่นยำ การวัดระยะด้วยเลเซอร์สองทาง และการสังเกตการณ์การแทรกสอดของควาซาร์ที่อยู่ไกลออกไป กำหนดตำแหน่งและการวางแนวของโลกในอวกาศ สำหรับแรงโน้มถ่วง วงโคจรของดาวเทียมระดับต่ำ หรือการแยกตัวที่แตกต่างกันของดาวเทียมคู่หนึ่ง จะตอบสนองต่อการกระจายมวลพื้นฐาน ดังนั้นการวัดการรบกวนของวงโคจรเหล่านี้เมื่อเวลาผ่านไปจะให้สนามแรงโน้มถ่วงแบบสถิตและที่เปลี่ยนแปลงไป

Clinical relevance

มาตรวิทยาอวกาศให้การระบุตำแหน่งทั่วโลกและกรอบอ้างอิงที่เป็นพื้นฐานของโครงสร้างพื้นฐานการนำทาง การทำแผนที่ และการจับเวลา วัดการเปลี่ยนรูปของเปลือกโลกและภูเขาไฟสำหรับการเฝ้าระวังอันตราย และติดตามการละลายของแผ่นน้ำแข็ง การลดลงของน้ำใต้ดิน และการเพิ่มขึ้นของระดับน้ำทะเล ซึ่งเป็นหัวใจสำคัญของวิทยาศาสตร์ภูมิอากาศ

History

มาตรวิทยาด้วยดาวเทียมเริ่มต้นด้วยการติดตามดาวเทียมประดิษฐ์ยุคแรกที่ปรับปรุงความแบนของโลกให้ละเอียดขึ้น พัฒนาไปพร้อมกับระบบนำทางด้วยดาวเทียมทั่วโลกและการวัดระยะด้วยเลเซอร์ในช่วงปลายศตวรรษที่ยี่สิบ และเข้าสู่การวัดแรงโน้มถ่วงด้วยภารกิจเฉพาะ เช่น GRACE ที่เปิดตัวในปี 2002 และ GOCE

Key figures

• Byron Tapley
• Reiner Rummel
• Günter Seeber

Seminal works

• seeber2003
• tapley2004
• torge2012

Frequently asked questions

ดาวเทียมสามารถวัดสนามแรงโน้มถ่วงของโลกได้อย่างไร?

วงโคจรของดาวเทียมถูกรบกวนโดยแรงโน้มถ่วงที่ไม่สม่ำเสมอของโลกที่อยู่ข้างใต้ โดยการติดตามการรบกวนเหล่านี้อย่างแม่นยำ หรือการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยของระยะห่างระหว่างดาวเทียมสองดวงที่บินเป็นรูปขบวน ภารกิจต่างๆ สามารถทำแผนที่สนามแรงโน้มถ่วงและแม้แต่สังเกตการเปลี่ยนแปลงเมื่อน้ำและน้ำแข็งเคลื่อนที่

มาตรวิทยาอวกาศมีส่วนช่วยในการศึกษาการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศอย่างไร?

ภารกิจแรงโน้มถ่วงที่เปลี่ยนแปลงตามเวลาจะตรวจจับการสูญเสียมวลจากแผ่นน้ำแข็งและธารน้ำแข็ง และการเปลี่ยนแปลงในการกักเก็บน้ำใต้ดิน ในขณะที่การวัดความสูงด้วยดาวเทียมจะวัดการเพิ่มขึ้นของระดับน้ำทะเล ซึ่งให้การวัดทั่วโลกโดยตรงว่ามวลและน้ำมีการกระจายตัวใหม่อย่างไร