LAGEOS (Laser Geodynamic Satellite) is een in 1976 gelanceerde NASA-satelliet die specifiek is ontworpen voor satellite laser ranging. De satelliet is een passief, kogelvormig object van 400 kilogram, voorzien van 426 retroreflectoren die laserpulsen vanaf de aarde terugkaatsen om afstanden uiterst nauwkeurig te bepalen.
De belangrijkste wetenschappelijke bijdragen zijn:
- Platentektoniek: De meetnauwkeurigheid werd verbeterd van één meter naar minder dan een centimeter, waardoor de beweging van tektonische platen nauwkeurig in kaart kon worden gebracht.
- Aarddynamiek: Het detecteren van onregelmatigheden in de rotatie van de aarde, poolbeweging en het herstel van de aardkorst na ijstijden.
- Relativiteitstheorie: Samen met LAGEOS-2 werd de voorspelling van frame dragging uit Einsteins algemene relativiteitstheorie bevestigd.
- Yarkovsky-effect: Onderzoek naar hoe zonlicht de baan van kleine objecten (zoals planetoïden) kan beïnvloeden.
Naast zijn wetenschappelijke functie draagt de satelliet een plaquette van Carl Sagan met een boodschap aan de toekomst. Tegenwoordig vormt LAGEOS de basis voor het terrestrische referentiekader, essentieel voor wereldwijde navigatiesystemen en interplanetaire navigatie.
LAGEOS van NASA: 40 jaar een standaard voor onderzoek naar de aarde
Op 4 mei 1976 lanceerde NASA een kogelvormige satelliet die het onderzoek naar de vorm, rotatie en het zwaartekrachtveld van de aarde transformeerde.
Bijschrift: Schaalmodel van de LAGEOS-satelliet. (NASA/Goddard)
LAGEOS – kort voor Laser Geodynamic Satellite – was de eerste orbiter van NASA die specifiek was gewijd aan de precisie-meettechniek genaamd laser ranging. Hiermee hebben wetenschappers de beweging van aardse tektonische platen gemeten, onregelmatigheden in de rotatie van de planeet gedetecteerd, de massa van de aarde bepaald en kleine verschuivingen in het zwaartepunt gevolgd.
Kleine afwijkingen in de baan van de satelliet werden gebruikt om vroege modellen van het zwaartekrachtveld van de aarde te ontwikkelen. Verdere verstoringen in de baan hielpen verklaren hoe de opwarming door zonlicht kleine objecten kan beïnvloeden, waaronder planetoïden in de nabijheid van de aarde.
Technische specificaties
De satelliet weegt ongeveer 400 kilogram en is gebouwd om lang mee te gaan. Het is een passief object zonder boordaansturing, sensoren, elektronica of bewegende delen. De kern van messing is omhuld door een aluminium schil die is voorzien van 426 retroreflectoren, waardoor de satelliet lijkt op een gigantische golfbal.
"LAGEOS is elegant simpel – een bal bedekt met reflecterende prisma's," aldus Stephen Merkowitz, manager van het Space Geodesy Project van NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. "Maar het heeft een nieuwe standaard gezet voor laser ranging en heeft 40 jaar continuïteit in deze metingen geboden."
Lancering en baan
De satelliet werd gelanceerd vanaf de Vandenberg Air Force Base in Californië. Het ontwerp, de ontwikkeling en de constructie van de orbiter werden beheerd door NASA's Marshall Space Flight Center in Huntsville, Alabama.
LAGEOS bevindt zich in een stabiele, cirkelvormige pool-tot-poolbaan op meer dan 5.900 kilometer boven het aardoppervlak. Op deze hoogte – de middelste aardbaan (medium Earth orbit) – ervaart de satelliet zeer weinig atmosferische weerstand en kan hij gelijktijdig door grondstations op verschillende continenten worden waargenomen.
De techniek: Satellite Laser Ranging
In de loop der jaren hebben 183 stations wereldwijd met LAGEOS gemeten, en tientallen doen dat nog steeds. De methode werkt als volgt:
- Een laserpuls wordt verzonden vanaf een grondstation.
- De puls kaatst terug via een van de retroreflectoren van de satelliet.
- Een deel van het signaal wordt teruggestuurd naar het station.
De tijd die de puls nodig heeft voor deze heen- en terugreis wordt nauwkeurig gemeten om de afstand tussen de satelliet en het station te berekenen. Deze techniek wordt satellite laser ranging genoemd. Door deze metingen over een langere periode te maken, kunnen de absolute posities van de stations ten opzichte van het zwaartepunt van de aarde worden bepaald. Hieruit kunnen subtiele veranderingen in de posities van de stations ten opzichte van elkaar worden berekend.
Onderzoek naar platentektoniek
Een van de oorspronkelijke doelen van LAGEOS was het mogelijk maken van nauwkeurige metingen van de bewegingen van de grote platen die de aardkorst vormen. Hoewel de theorie van de platentektoniek destijds al gevestigd was, bleven er vragen open over de snelheid en richting van de bewegingen in moderne tijden en hoe deze informatie kon helpen bij het begrijpen van aardbevingen.
Bijschrift: Het oppervlak van LAGEOS is voorzien van 426 hoekprisma's om laserpulsen te reflecteren. Een sector van een model is hier afgebeeld. Dankzij LAGEOS verbeterde de nauwkeurigheid van laser ranging-metingen van ongeveer 1 meter naar minder dan 1 centimeter. (NASA/Goddard)
"Wat ontbrak was een manier om de snelheid en richting van plaatbewegingen over tijd te meten," zegt Frank Lemoine, geofysisch wetenschapper bij Goddard. Waar vroege metingen een nauwkeurigheid hadden van ongeveer 1 meter, maakte LAGEOS metingen van minder dan een centimeter mogelijk – het niveau dat nodig is om tektonische plaatbewegingen te detecteren. Moderne metingen zijn inmiddels nog eens met een factor 10 verbeterd.
Bredere wetenschappelijke inzichten
De precieze metingen maakten het ook mogelijk om het volgende te detecteren:
- Kleine onregelmatigheden in de rotatie van de aarde, veroorzaakt door massaverplaatsingen in de atmosfeer en oceanen.
- Poolbeweging: de migratie van de rotatieas van de planeet.
- Vroege zwaartekrachtmodellen van de aarde via kleine verstoringen in de baan van de satelliet.
- Het herstel (rebounding) van de aardkorst in regio's die waren afgeplat door oude ijskappen, zoals in het gebied rond de Hudsonbaai, Finland en Scandinavië.
David E. Smith, voormalig projectwetenschapper bij Goddard en nu verbonden aan MIT, stelt: "Tegenwoordig zien we de aarde als één systeem, waarbij de vorm, rotatie, atmosfeer, het zwaartekrachtveld en de bewegingen van de continenten allemaal met elkaar verbonden zijn. We vinden dat nu vanzelfsprekend, maar LAGEOS heeft ons geholpen tot dat inzicht te komen."
LAGEOS-2 en de Algemene Relativiteitstheorie
In 1992 werd een bijna identieke zus-satelliet, LAGEOS-2, gelanceerd als een joint venture tussen de Italiaanse ruimtevaartorganisatie en NASA. Deze satelliet bevindt zich in een aanvullende baan. Samen maakten de twee satellieten een breder scala aan studies mogelijk. De data van dit paar werden gebruikt om een voorspelling van Einsteins algemene relativiteitstheorie te bevestigen: frame dragging. Dit is een minuscule verstoring van de baan van een object rond een massief roterend centraal lichaam, ook wel het gravitomagnetische of Lense-Thirring-effect genoemd.
Het Yarkovsky-effect
LAGEOS leidde ook tot de ontdekking van andere subtiele effecten, zoals het seizoensgebonden Yarkovsky-effect. Dit is een kleine remmende kracht die optreedt wanneer zonlicht één zijde van het ruimtevaartuig verwarmt en het ruimtevaartuig die warmte later weer uitstraalt.
Dit effect, samen met andere minuscule krachten, verlaagt de baan van LAGEOS elke dag met een fractie van een millimeter. David Rubincam, een wetenschapper bij Goddard, legt uit dat deze effecten momenteel van groot belang zijn omdat ze de banen van kleine objecten, zoals planetoïden in de nabijheid van de aarde, kunnen ombuigen. Het ruimtevaartuig OSIRIS-REx van NASA onderzoekt dit effect als onderdeel van zijn missie naar de planetoïde Bennu.
Een boodschap aan de toekomst
LAGEOS draagt een plaquette bij zich, ontworpen door Carl Sagan, als boodschap aan toekomstige beschavingen. De plaquette bevat:
- Bovenaan de getallen één tot en met tien in binaire notatie.
- Een afbeelding van de aarde die om de zon draait.
- Drie panelen met kaarten van de aarde uit verschillende tijdperken:
- De aarde 268 miljoen jaar geleden, toen de continenten nog waren samengevoegd als het supercontinent Pangaea.
- De configuratie van de continenten ten tijde van de lancering.
- Een projectie van de configuratie over 8,4 miljoen jaar in de toekomst – het moment waarop werd voorspeld dat de satelliet uiteindelijk op aarde zou vallen.
"Er zit veel optimisme in deze boodschap aan de toekomst," zegt Merkowitz. "Het vertegenwoordigt de visie die ten grondslag lag aan het lanceren van een satelliet die is ontworpen om tijdperen lang operationeel te blijven."
Huidige rol
Tegenwoordig maakt LAGEOS deel uit van een constellatie satellieten die helpen bij het vaststellen en onderhouden van het terrestrische referentiekader (terrestrial reference frame). Dit kader verbindt navigatiesystemen over de hele wereld en dient als fundamenteel referentiepunt voor de interplanetaire navigatie van ruimtevaartuigen. De twee LAGEOS-satellieten hebben de unieke rol van het definiëren van de oorsprong, of het middelpunt, van dit referentiekader, gebaseerd op het zwaartepunt van de aarde.
LAGEOS van NASA: 40 jaar een standaard voor onderzoek naar de aarde
Op 4 mei 1976 lanceerde NASA een kogelvormige satelliet die het onderzoek naar de vorm, rotatie en het zwaartekrachtveld van de aarde transformeerde.
Bijschrift: Schaalmodel van de LAGEOS-satelliet. (NASA/Goddard)
LAGEOS – kort voor Laser Geodynamic Satellite – was de eerste orbiter van NASA die specifiek was gewijd aan de precisie-meettechniek genaamd laser ranging. Hiermee hebben wetenschappers de beweging van aardse tektonische platen gemeten, onregelmatigheden in de rotatie van de planeet gedetecteerd, de massa van de aarde bepaald en kleine verschuivingen in het zwaartepunt gevolgd.
Kleine afwijkingen in de baan van de satelliet werden gebruikt om vroege modellen van het zwaartekrachtveld van de aarde te ontwikkelen. Verdere verstoringen in de baan hielpen verklaren hoe de opwarming door zonlicht kleine objecten kan beïnvloeden, waaronder planetoïden in de nabijheid van de aarde.
Technische specificaties
De satelliet weegt ongeveer 400 kilogram en is gebouwd om lang mee te gaan. Het is een passief object zonder boordaansturing, sensoren, elektronica of bewegende delen. De kern van messing is omhuld door een aluminium schil die is voorzien van 426 retroreflectoren, waardoor de satelliet lijkt op een gigantische golfbal.
"LAGEOS is elegant simpel – een bal bedekt met reflecterende prisma's," aldus Stephen Merkowitz, manager van het Space Geodesy Project van NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. "Maar het heeft een nieuwe standaard gezet voor laser ranging en heeft 40 jaar continuïteit in deze metingen geboden."
Lancering en baan
De satelliet werd gelanceerd vanaf de Vandenberg Air Force Base in Californië. Het ontwerp, de ontwikkeling en de constructie van de orbiter werden beheerd door NASA's Marshall Space Flight Center in Huntsville, Alabama.
LAGEOS bevindt zich in een stabiele, cirkelvormige pool-tot-poolbaan op meer dan 5.900 kilometer boven het aardoppervlak. Op deze hoogte – de middelste aardbaan (medium Earth orbit) – ervaart de satelliet zeer weinig atmosferische weerstand en kan hij gelijktijdig door grondstations op verschillende continenten worden waargenomen.
De techniek: Satellite Laser Ranging
In de loop der jaren hebben 183 stations wereldwijd met LAGEOS gemeten, en tientallen doen dat nog steeds. De methode werkt als volgt:
- Een laserpuls wordt verzonden vanaf een grondstation.
- De puls kaatst terug via een van de retroreflectoren van de satelliet.
- Een deel van het signaal wordt teruggestuurd naar het station.
De tijd die de puls nodig heeft voor deze heen- en terugreis wordt nauwkeurig gemeten om de afstand tussen de satelliet en het station te berekenen. Deze techniek wordt satellite laser ranging genoemd. Door deze metingen over een langere periode te maken, kunnen de absolute posities van de stations ten opzichte van het zwaartepunt van de aarde worden bepaald. Hieruit kunnen subtiele veranderingen in de posities van de stations ten opzichte van elkaar worden berekend.
Onderzoek naar platentektoniek
Een van de oorspronkelijke doelen van LAGEOS was het mogelijk maken van nauwkeurige metingen van de bewegingen van de grote platen die de aardkorst vormen. Hoewel de theorie van de platentektoniek destijds al gevestigd was, bleven er vragen open over de snelheid en richting van de bewegingen in moderne tijden en hoe deze informatie kon helpen bij het begrijpen van aardbevingen.
Bijschrift: Het oppervlak van LAGEOS is voorzien van 426 hoekprisma's om laserpulsen te reflecteren. Een sector van een model is hier afgebeeld. Dankzij LAGEOS verbeterde de nauwkeurigheid van laser ranging-metingen van ongeveer 1 meter naar minder dan 1 centimeter. (NASA/Goddard)
"Wat ontbrak was een manier om de snelheid en richting van plaatbewegingen over tijd te meten," zegt Frank Lemoine, geofysisch wetenschapper bij Goddard. Waar vroege metingen een nauwkeurigheid hadden van ongeveer 1 meter, maakte LAGEOS metingen van minder dan een centimeter mogelijk – het niveau dat nodig is om tektonische plaatbewegingen te detecteren. Moderne metingen zijn inmiddels nog eens met een factor 10 verbeterd.
Bredere wetenschappelijke inzichten
De precieze metingen maakten het ook mogelijk om het volgende te detecteren:
- Kleine onregelmatigheden in de rotatie van de aarde, veroorzaakt door massaverplaatsingen in de atmosfeer en oceanen.
- Poolbeweging: de migratie van de rotatieas van de planeet.
- Vroege zwaartekrachtmodellen van de aarde via kleine verstoringen in de baan van de satelliet.
- Het herstel (rebounding) van de aardkorst in regio's die waren afgeplat door oude ijskappen, zoals in het gebied rond de Hudsonbaai, Finland en Scandinavië.
David E. Smith, voormalig projectwetenschapper bij Goddard en nu verbonden aan MIT, stelt: "Tegenwoordig zien we de aarde als één systeem, waarbij de vorm, rotatie, atmosfeer, het zwaartekrachtveld en de bewegingen van de continenten allemaal met elkaar verbonden zijn. We vinden dat nu vanzelfsprekend, maar LAGEOS heeft ons geholpen tot dat inzicht te komen."
LAGEOS-2 en de Algemene Relativiteitstheorie
In 1992 werd een bijna identieke zus-satelliet, LAGEOS-2, gelanceerd als een joint venture tussen de Italiaanse ruimtevaartorganisatie en NASA. Deze satelliet bevindt zich in een aanvullende baan. Samen maakten de twee satellieten een breder scala aan studies mogelijk. De data van dit paar werden gebruikt om een voorspelling van Einsteins algemene relativiteitstheorie te bevestigen: frame dragging. Dit is een minuscule verstoring van de baan van een object rond een massief roterend centraal lichaam, ook wel het gravitomagnetische of Lense-Thirring-effect genoemd.
Het Yarkovsky-effect
LAGEOS leidde ook tot de ontdekking van andere subtiele effecten, zoals het seizoensgebonden Yarkovsky-effect. Dit is een kleine remmende kracht die optreedt wanneer zonlicht één zijde van het ruimtevaartuig verwarmt en het ruimtevaartuig die warmte later weer uitstraalt.
Dit effect, samen met andere minuscule krachten, verlaagt de baan van LAGEOS elke dag met een fractie van een millimeter. David Rubincam, een wetenschapper bij Goddard, legt uit dat deze effecten momenteel van groot belang zijn omdat ze de banen van kleine objecten, zoals planetoïden in de nabijheid van de aarde, kunnen ombuigen. Het ruimtevaartuig OSIRIS-REx van NASA onderzoekt dit effect als onderdeel van zijn missie naar de planetoïde Bennu.
Een boodschap aan de toekomst
LAGEOS draagt een plaquette bij zich, ontworpen door Carl Sagan, als boodschap aan toekomstige beschavingen. De plaquette bevat:
- Bovenaan de getallen één tot en met tien in binaire notatie.
- Een afbeelding van de aarde die om de zon draait.
- Drie panelen met kaarten van de aarde uit verschillende tijdperken:
- De aarde 268 miljoen jaar geleden, toen de continenten nog waren samengevoegd als het supercontinent Pangaea.
- De configuratie van de continenten ten tijde van de lancering.
- Een projectie van de configuratie over 8,4 miljoen jaar in de toekomst – het moment waarop werd voorspeld dat de satelliet uiteindelijk op aarde zou vallen.
"Er zit veel optimisme in deze boodschap aan de toekomst," zegt Merkowitz. "Het vertegenwoordigt de visie die ten grondslag lag aan het lanceren van een satelliet die is ontworpen om tijdperen lang operationeel te blijven."
Huidige rol
Tegenwoordig maakt LAGEOS deel uit van een constellatie satellieten die helpen bij het vaststellen en onderhouden van het terrestrische referentiekader (terrestrial reference frame). Dit kader verbindt navigatiesystemen over de hele wereld en dient als fundamenteel referentiepunt voor de interplanetaire navigatie van ruimtevaartuigen. De twee LAGEOS-satellieten hebben de unieke rol van het definiëren van de oorsprong, of het middelpunt, van dit referentiekader, gebaseerd op het zwaartepunt van de aarde.
Groetjes,