Bugünlerde sekstant ve ölçüm çubukları gibi aletler "dünyayı ölçmek" için gerekli değil. Deniz seviyeleri, devasa buz tabakaları veya su döngüsü gibi küresel olayları ölçmek söz konusu olduğunda, jeodezi giderek daha fazla uydulara bağımlı hale geliyor. Peki ama Dünya'yı uzaydan gözlemlemenin mekaniği ve teknikleri nelerdir?
Birçok faydası nedeniyle uydu jeodezisi, modern Dünya sistemleri ve iklim çalışmalarının ayrılmaz bir parçası haline gelmiştir. Jeodezik bir araç kullanarak yörüngeden Dünya'ya bakmak, gezegenimize ve birbiriyle bağlantılı sistemlerine kapsamlı bir genel bakış sağlar. Bununla birlikte, uydular birçok farklı faktörün niceliksel okumalarını da yapabilmektedir. Hem uydu gravimetresi (uzaydan yerçekimi ölçümü) hem de uydu altimetresi (su, buz veya kara topografyasını incelemek için radar kullanımı) günümüzde yaygın olarak kullanılmaktadır.
Dünya'yı Ölçmenin Tarihçesi
Üçgenlemeden (Nirengi) Uyduya
Carl Friedrich Gauss ve Alexander von Humboldt en ünlü jeodezistlerden ikisidir. Yaygın bilgi, bu iki beyefendiyi sırasıyla matematik ve doğa bilimleri alanındaki çalışmalarıyla tanır. Jeodezinin temel amacı, Dünya'nın yüzeyini ölçme ve haritalama sürecidir. Gerçekten de Gauss ve von Humboldt 18. yüzyılda tam da bunu başarmışlardır.
Gauss ölçme konusundaki çalışmalarıyla ünlüdür. Pratik ölçüm alanındaki çalışmaları, en küçük kareler tahmini yaklaşımı ve istatistikleri de dahil olmak üzere matematiksel yeniliklerinin çoğuna kaynaklık etmiştir. Bunlardan ikincisi Gauss'un normal dağılımı ile temsil edilir. Alexander von Humboldt tüm keşiflerinde ölçüm aletleri taşımış, bu da onun aynı zamanda kendini adamış bir jeodezist olduğunu kanıtlamıştır.
Yeryüzünü Ölçme Rüyası
Jeodezinin nihai hedeflerinden biri Dünya'nın küresel bir ölçümünü yapmaktır. Bunun temeli 150 yıl önce, 1862 yılında Prusyalı General Johann Jacob Baeyer'in Prusya, Avusturya ve Saksonya'dan delegeleri Orta Avrupa doğrusal ölçüm planını incelemek üzere Berlin'e çağırmasıyla atılmıştır. Daha fazla Avrupa ülkesi bu öneriye katıldığında Uluslararası Jeodezi Birliği (IAG) resmen kurulmuş oldu.
Ancak Dünya'nın gerçek anlamda dünya çapında bir araştırmasını yapma umudu uydular çağına kadar gerçekleşmedi. Ancak uzaydan, tutarlı bir hassasiyetle ve makul bir süre içinde küresel bir araştırma yapmak mümkündür. Dünya'nın basıklığı, ilk Sputnik yörüngesi sırasında yapılan gözlemlerden, daha önceki tüm yersel ölçümlerden daha hızlı ve daha doğru bir şekilde hesaplanabilmiştir. Bu noktadan sonra uydu jeodezisi hızla ilerledi. Amerika Birleşik Devletleri'nin Küresel Konumlandırma Sistemi (GPS) ve Avrupa'nın Galileo'su gibi küresel uydu tabanlı navigasyon sistemlerinin potansiyel sosyal ve ekonomik faydalarını düşünün.
Uydu Altimetrisi Prensibi
Uydu altimetresi arazi, su veya buzun çöküntüleri ve yükselmeleri de dahil olmak üzere geometriyi izlerken, uydu gravimetresi Dünya üzerindeki büyük kütlelerin dağılımını kaydeder. Ölçümün temel önermesi basittir: Bir uydu yere bir radar atımı yayar, bu atım daha sonra okyanus yüzeyi gibi bir nesne tarafından yansıtılır ve uyduya geri gönderilir. Uydunun yörüngesinin ve daha da önemlisi yüksekliğinin (örneğin GPS verileriyle sağlanan) doğru bir şekilde bilinmesiyle, okyanus yüzeyinin yüksekliği radar dalgalarının yolculuk süresinden hesaplanabilir. Bu teknikte, uydunun yörüngesinin hemen altındaki yer izi taranarak Dünya yüzeyinin bir profili çıkarılır.
Gelgitler, El Niño ve Diğer Dalgalanmalar
Uydu altimetresinin ilk kullanımından bu yana kırk yıl geçti. Amerikalı ve Fransız bilim insanları birlikte çalışarak yeni nesil altimetre uçuşları yarattılar. Bu tür ölçümler genellikle NASA ve Avrupa Uzay Ajansı (ESA) tarafından işletilen uydular tarafından yapılmaktadır. Avrupa Birliği 2016 yılında, başarısız Envisat uydusunun halefi olan Sentinel-3'ü GMES Dünya gözetim programının bir parçası olarak yörüngeye yerleştirdi.
Uydu altimetrisinin birincil amacı okyanusların izlenmesidir. Bu sayede oşinografi, daha hassas gelgit modellerine, küresel okyanus sirkülasyonunun ve değişimlerinin sürekli izlenmesine, girdaplar ve tsunamiler gibi daha küçük ölçekli yapıların kaydedilmesine ve El Niño fenomeninin daha derinlemesine anlaşılmasına olanak tanıyan muazzam adımlar atmıştır.
Deniz Seviyesindeki Yükseliş
Bununla birlikte, deniz seviyesi de iklimin incelenmesinde çok önemli bir faktördür. Uydu altimetresi sayesinde okyanus yüzeylerinin uzun vadeli, hassas ve mekansal olarak tutarlı bir şekilde izlenmesi artık mümkün. Bu, artışı doğru bir şekilde tahmin eden tek yöntemdir ve Hükümetlerarası İklim Değişikliği Paneli (IPCC) de dahil olmak üzere birçok çalışmada hayati bir rol oynamaktadır. Altimetre ölçümleri sayesinde, örneğin deniz seviyesinin yükseldiği ve alçaldığı bölgeleri tespit etmek mümkündür.
El Niño fenomeni gibi, yıllar boyunca yerel deniz seviyesi dalgalanmalarına yol açabilen yıllararası etkiler de söz konusudur. Bazı farklılıklara rağmen, çok sayıda altimetri uydusu tarafından toplanan verilerden tutarlı bir tablo ortaya çıkmaktadır.
Uydu Altimetrisi Hidrolojiye Nasıl Yardımcı Olabilir?
Bununla birlikte, uydu jeodezisi ancak gravimetrik ve geometrik tekniklerin entegrasyonu yoluyla gerçek bir umut vaat etmeye başlar. Araştırmacılar, yerçekimi alanı tarafından ölçülen bir buz tabakası veya nehir kütlesindeki değişiklikleri altimetreler tarafından kaydedilen deniz seviyesindeki değişikliklerle ilişkilendirerek, diğer faktörlerin yanı sıra buz erimesi ve termal genleşmenin deniz seviyesinin yükselmesine olan katkılarını izole edebilirler. Bu tür bağımsız ölçümler, IPCC raporlarındaki görüşlerin desteklenmesi için çok önemlidir, çünkü değerler modelleme veya iklimsel varsayımlar kullanılmadan hesaplanabilir.
İklim Araştırmaları için Yeryüzünün Ölçülmesi
İklim değişikliği konusunda süregelen tartışmalar, Dünya'nın sürekli izlenmesi gerekliliğini vurgulamaktadır. Haberlerde sık sık bildirildiği gibi deniz seviyeleri yükseliyor. Dalgaların ve gelgitlerin büyüklüğü ile kıyaslandığında, ki bunlar çok daha büyük mertebelerde olabilir, her yıl sadece yaklaşık üç milimetrelik değişiklikleri ölçmek zor olabilir. Peki su nereden geliyor?
Ortalama su miktarı, sıcaklığı arttıkça genişler; bu olgu deniz seviyelerindeki yükselmeyi açıklamaya yardımcı olur. Bununla birlikte, deniz seviyesindeki yükselmenin en ikna edici açıklaması, Dünya'nın hidrolojik döngüsünde su ve buzun muazzam bir şekilde yeniden dağıtılmasıdır.
Potsdam İklim Etkileri Araştırma Enstitüsü'ndeki (PIK) araştırmacılar, iklim değişikliği tartışmalarında kritik bir dönüm noktasını tanımlamak için ilk olarak "devrilme noktaları" ifadesini kullandılar. Bu ölçütler küresel iklimin durumunu anlamak için çok önemlidir. Jeodezik uydular birkaç yıldır Grönland Buz Tabakasının hızla geri çekildiğini görmektedir. "Devrilme noktalarının" yaklaşık yarısında uydu jeodezisi önemli bir gözlem rolü üstlenmektedir. Kritik parametreler iki farklı jeodezik uydu sistemi yardımıyla belirlenmektedir.
Uydu Gravimetresi Nasıl Çalışır?
Yerçekimi Alanı Gerçek Bir Fırsattır
Grönland'ın erimesi gibi, Dünya üzerindeki kütle değişimlerini uzaydan küresel ölçekte nasıl "tartabiliriz"? Bunun anahtarı dolaylı bir yol izlemektir. Kütle küresel ölçekte yeniden dağılırken, Dünya'nın çekim alanı da değişir. Dünya'nın çekim alanı, gezegenin içindeki ve üzerindeki tüm kütlelerin dağılımının "sadece" bir temsilidir. Zamandaki bu değişiklikler altıncı ya da yedinci basamağa kadar ölçülebilir.
Bir İpucu Olarak Benzemezlik
Uluslararası Uzay İstasyonu'ndaki bir astronot gibi, bir uydu da Dünya gezegenine bağlı olmaksızın uzayda süzülüyor gibi görünür. Ancak yine de yerçekimi kuvveti üzerlerinde etkilidir; ve yörünge hareketi bu etkiye karşı koyar. Bu çekimin gücü doğrudan belirlenemese de, iki uydunun göreceli konumlarından çıkarılabilir. Dünya'nın yerçekimi alanındaki göreceli konumları nedeniyle, çeşitli seviyelerde çekim yaşarlar. Ve uyduların serbest düşüş özelliği nedeniyle aralarındaki mesafeler de değişmektedir.
Amerika Birleşik Devletleri ve Almanya'nın ortak çalışması olan GRACE uydu projesi (2002-2017), "düşük uydudan uyduya izleme" olarak bilinen bu konsepti uygulamaya koydu. Birbirinin aynısı olan iki uydu, son on yıldır kutup bölgesinde yaklaşık 450 kilometre yükseklikte Dünya'nın yörüngesinde dönmektedir. Her iki uydu da jeosenkron yörüngedeydi, ancak biri diğerinden yaklaşık 200 kilometre ilerideydi, bu nedenle birbirlerini yaklaşık 30 saniyelik aralıklarla takip ediyorlardı. Jeodezistler bu hassas gözlemleri kullanarak neredeyse her ay Dünya'nın yerçekimi alanı haritasını oluşturdular.
Zaman İçerisindeki Değişimler İklim Araştırmaları İçin Önemli
Ancak, bu tür bulgular iklim bilimiyle ancak aylık yerçekimi alanları bir filmde olduğu gibi sırayla düzenlendiğinde ilgilidir. Sonuçta, yerçekimi alanındaki kaymaların ya da Dünya sistemindeki kütle değişikliklerinin 10 yıllık bir zaman serisi elde edilmiştir. Ancak uydu gravimetresi, ölçümlerin doğruluğuna rağmen, uyduların yüksekliği ve nispeten düşük hassasiyet nedeniyle bu tür değişiklikleri yalnızca yaklaşık 400 kilometreden daha büyük mekansal ölçeklerde ayırt edebilir.
Hidrolojistler, buz bilimciler ve jeofizikçiler daha önce Dünya'yı hiç bu şekilde gözlemlememiş olsalar da, kütle değişimlerinin zaman serisi onlara daha eksiksiz bir resim verdi. Ancak gezegenimiz hakkında daha fazla bilgi edinmek istiyor ancak geleneksel uydu uzaktan algılama yöntemlerinin ötesine geçmek istiyorsanız, uydu gravimetresi size yepyeni bir bakış açısı kazandıracaktır. Bu yöntemde elektromanyetik dalgalar yerine yerçekimi etkileşimi kullanılır.
Dünya'nın Su Kütlelerinin Uzaydan Gözlenmesi
Uydu Ölçümleri Su Dağıtımı Hakkında Nasıl Bilgi Sağlıyor?
Eşdeğer su yüksekliği, Dünya üzerindeki kütle yer değiştirmelerini ifade etmenin yaygın bir yoludur, çünkü bu hareketlerin çoğu su döngüsüne bağlıdır. Su kütlelerinin varlığından kaynaklanan yerçekimi alanının referans yüksekliğinden sapmayı temsil eder. Ancak her uydunun yerçekimi sinyali, Dünya yüzeyindeki su, topraktaki su, yeraltındaki su veya biyosferdeki su arasındaki farkı söyleyemez. Dolayısıyla dikey ayrım mümkün değildir. Ancak bu, standart bir ölçüm ve uluslararası bir perspektif sağlama avantajına sahiptir.
Yerçekimi Alanı Su ve Buz Dağılımını Yansıtıyor
Mukayese edilebilir su yüksekliğindeki küresel değişimler bu haritada görülmektedir. Diğer zaman ölçeklerinin bir rolü olsa da, burada en çok ilgi çeken yıllık döngüdür. Bu haritadaki her bir renk, ilgili piksele bakılarak belirlenebilen yıllık sinüs dalgasının genliğini temsil etmektedir.
Örneğin Amazon havzası rezervuarındaki su seviyesi her yıl 20 cm kadar dalgalanmaktadır. Amazon ve Orinoco Havzası'nın coğrafi olarak birbirinden farklı olduğu da açıktır. Önemli hidrolojik faaliyetlere sahip diğer yerler arasında Ganj ve Brahmaputra nehirlerinin birleştiği yerlerin yanı sıra Afrika ve Kuzey Avustralya'nın tropikal bölgeleri de bulunmaktadır.
Parlak renkler, çöller ve Antarktika gibi hidrolojik açıdan daha aktif olmayan kıtasal bölgelere dikkat çekebilir. Haritada mevcut uydu gravimetrisinin sınırları da gösterilmektedir. Mekansal çözünürlük, Endonezya adaları da dahil olmak üzere birçok bölge için yetersizdir.
Çöllerde hidrolojik faaliyetlerin nispeten az olduğu, tropik bölgelerde ise faaliyetlerin yoğun olduğu bilinmektedir. Uydu gravimetrisinin yeniliği, kütle devrinin metrolojik ve dünya çapında tutarlı bir hassasiyetle ve kaba da olsa homojen bir mekansal çözünürlükle ölçülmesine olanak sağlamasıdır.
Karasal hidrolojik ve meteorolojik izleme istasyonlarının sayısındaki uzun vadeli düşüş nedeniyle, bu kritik bir öneme sahiptir. Nehir ölçüm istasyonları gibi altyapıyı uzun süreler boyunca muhafaza etmek bugün birçok ülke için pahalı bir çabadır.
Çözülen Buzullar ve Sarsılan Dünya
Yerçekimi Alanı Ölçümlerinin İklim Araştırmalarında Kullanımı ve Daha Fazlası
Su ve buzun küresel dağılımındaki uzun vadeli değişimler, Dünya'nın yerçekimi alanının uydu ölçümlerinden de elde edilebilir. Bu ölçümler, İskandinavya ve Kuzey Amerika'da olduğu gibi yerkabuğunun yükseliyor gibi göründüğü yerleri ortaya çıkarmaktadır. Bunun nedeni, bir önceki buzul çağından sonra, buzul sonrası yükselme nedeniyle kara kütlelerinin yükselmiş olmasıdır. Dünya'nın kabuğu o zamanlar var olan bir kilometre kalınlığındaki buz tabakaları tarafından içe doğru itilmiştir; buz tabakalarının erimesinden bu yana kabuk, GPS gibi diğer jeodezik ölçüm teknikleri veya jeolojik analizler kullanılarak tespit edilebilen, yılda bir santimetreye varan oranlarda yavaşça tekrar dışarı çıkmaktadır.
Eriyen Önemli Noktalar
Grönland ve Batı Antarktika'ya ait veriler en endişe verici olanlardır. Bu veriler, yerkabuğundaki basit bir geri tepmeden daha fazlasının, yani yerçekimi alanındaki değişikliklerin yaşandığını kanıtlamaktadır. Grönland buz tabakası her yıl kar yağışından kazandığından daha fazla, yaklaşık 300 gigaton buz kaybediyor ve bunun nedeni de bu.
Bu kütle, her bir kenarı bir kilometre uzunluğunda olan bir su küpüne ya da bir gigatona eşdeğerdir. Böylesi 300 buz küpünün erimesiyle deniz seviyesinde meydana gelen yıllık ortalama artış 0,85 milimetre civarındadır. Bir bütün olarak bakıldığında bu çok fazla bir şey gibi görünmeyebilir. Yine de Grönland, sadece birkaç yıl içinde okyanusun genel ortalama artışının yaklaşık bir santimetresinden sorumludur. Son yıllarda erime sürecinde yeni bir hızlanma olmuştur.
Buz Kütlelerinin de Bir Cazibesi Var
Deniz seviyesindeki yükselmeyi ölçmek için kullanılan bu yöntem sadece tüm okyanus için ortalama bir rakam verebilir. Ancak gerçekte eriyen su dünya denizleri üzerinde eşit bir şekilde dağılmamaktadır. Grönland'ın buz tabakası gibi devasa kütlelerin kendi yerçekimsel etkileri vardır ve deniz seviyelerini yerel olarak yükseltirler. Grönland'ın buz tabakaları eridiğinde, yerçekimi zayıflar ve bölgedeki deniz suyu daha düşük bir dereceye kadar onlara çekilir. Sonuç olarak, lokal deniz seviyeleri daha da düşebilir. Durum böyle olduğu için Grönland'ın erimesinin diğer kıtaları olumsuz etkilemesine gerek yoktur, en azından deniz seviyesinin yükselmesi açısından.
Antarktika, özellikle Batı Antarktika'da önemli bir buz kaybı yaşamaktadır. Deniz seviyesindeki yıllık ortalama artış 0,5 mm'dir ve bu da sorunun büyüklüğüne (yaklaşık 180 Gt/yıl) eşdeğerdir. Bununla birlikte, yerçekimi alanı üzerine yapılan çalışmalar, Alaska ve Patagonya'daki gibi iç kesimlerdeki buzulların da küçüldüğünü göstermektedir. Ölçek meselesi olarak bu durum Grönland ya da Batı Antarktika kadar önemli olmayabilir. Ancak erime, küresel ısınmanın açık bir kanıtıdır.
Nehirler, Yeraltı Suları ve Depremler Yerçekiminin İzlerini Bırakıyor
Uydu gravimetresi, nehir havzalarındaki su hacmi gibi su dağılımındaki çok küçük değişiklikleri bile tespit edebilir. Bu ölçümlerde görüldüğü üzere, Amazon ve Zambezi nehirlerinin her ikisi de daha ağır ya da daha ıslak hale geliyor gibi görünmektedir. Ancak bulgular Kaliforniya, Orta Doğu ve Kuzey Hindistan'da tarımsal nedenlerle yeraltı sularının istismar edildiğini gösteriyor. Su dışarı pompalandıktan sonra buharlaşınca yerçekimi azalır.
Örneğin, 2004 yılında Sumatra ve Andaman Adalarını vuran büyük deprem nedeniyle Dünya'nın yerçekimi alanında meydana gelen değişim oldukça ilgi çekiciydi. Yerçekiminde ani bir kayma oldu. Bu sıçrama, kütle kaymasının büyüklüğü nedeniyle haritaya yansıdı. Bu durum, uydu tabanlı yerçekimi alanı değişikliklerinin hidrolojistler ve buz bilimcilerin yanı sıra jeofizikçilerin de ilgisini çektiğini gösterdi.
