La tecnologia dei satelliti GPS e la geodesia
I satelliti GPS sono noti per la loro capacità di fornire informazioni sulla posizione in tempo reale, sia che si tratti di guidare un’auto, navigare con una nave o un aereo, o esplorare territori remoti. Tuttavia, un altro utilizzo fondamentale, sebbene meno conosciuto, è quello di trasmettere informazioni ad altri satelliti che osservano la Terra, al fine di aiutarli a misurare con precisione le caratteristiche del nostro pianeta. Questo processo è in fase di miglioramento grazie all’impiego di array di retroreflettori laser (LRAs), che stanno potenziando le capacità dei satelliti GPS, risultando cruciali per misurazioni terrestri accurate in ambito geodetico. Questa tecnologia consente un monitoraggio preciso della forma, della rotazione e dei cambiamenti ambientali della Terra.
Il ruolo dei LRAs nella geodesia
Gli array di retroreflettori laser (LRAs) stanno avanzando le capacità dei satelliti GPS, fondamentali per misurazioni terrestri accurate in geodesia. Questa tecnologia consente un tracciamento preciso della forma, della rotazione e dei cambiamenti ambientali della Terra. La geodesia, lo studio della forma e dei cambiamenti della Terra, beneficia notevolmente di questa tecnologia, in quanto gli LRAs consentono misurazioni di distanza precise, essenziali per monitorare fenomeni globali come l’innalzamento del livello del mare e i movimenti tettonici.
Il contributo delle agenzie federali
La NASA e diverse altre agenzie federali, tra cui la U.S. Space Force, il U.S. Space Command, il U.S. Naval Research Laboratory e la National Geospatial-Intelligence Agency, stanno migliorando l’accuratezza della localizzazione di queste misurazioni fino al millimetro con un nuovo set di array di retroreflettori laser, o LRAs. “Il principale vantaggio del laser ranging e degli LRAs è migliorare la geolocalizzazione di tutte le nostre osservazioni della Terra”, ha affermato Stephen Merkowitz, project manager per il Space Geodesy Project della NASA presso il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland.
Il funzionamento degli array di retroreflettori laser
Gli array di retroreflettori laser rendono possibile il laser ranging, ovvero l’uso di brevi impulsi di luce laser per rilevare le distanze tra gli oggetti. Impulsi di luce laser da una stazione a terra vengono diretti verso un satellite in orbita, che poi riflettono l’array e ritornano alla stazione. Il tempo impiegato dalla luce per viaggiare dalla terra al satellite e viceversa può essere utilizzato per calcolare la distanza tra il satellite e la terra.
Decenni di utilizzo nello spazio
Il laser ranging e gli array di retroreflettori laser sono stati parte delle missioni spaziali per decenni e sono attualmente montati su e fondamentali per il funzionamento di satelliti che osservano la Terra come ICESat-2 (Ice, Cloud, and land Elevation satellite 2), SWOT (Surface Water and Ocean Topography) e GRACE-FO (Gravity Recovery and Climate Experiment Follow On). Gli LRAs per il laser ranging sono stati persino dispiegati sulla superficie della Luna durante le missioni Apollo.
Specchi speciali per il laser ranging
“Gli LRAs sono specchi speciali”, ha detto Merkowitz. “Sono diversi da uno specchio normale perché rimandano indietro la luce direttamente verso la sua fonte originale”. Per il laser ranging, gli scienziati vogliono dirigere i fasci di luce di ritorno alla fonte originale. Ciò viene fatto posizionando tre specchi ad angoli retti, formando essenzialmente l’angolo interno di un cubo. Gli array di retroreflettori laser sono composti da un array di 48 di questi angoli specchiati.
L’importanza degli array di retroreflettori laser
La geodesia è lo studio della forma della Terra, così come della sua gravità e rotazione, e di come tutto ciò cambi nel tempo. Il laser ranging agli array di retroreflettori laser è una tecnica chiave in questo studio. La superficie terrestre è in costante cambiamento a causa dello spostamento delle placche tettoniche, dello scioglimento dei ghiacci e di altri fenomeni naturali. Con questi continui cambiamenti – e il fatto che la Terra non sia una sfera perfetta – deve esserci un modo per definire le misurazioni sulla superficie terrestre. Gli scienziati chiamano questo un sistema di riferimento.
La definizione del sistema di riferimento
Non solo questi array e il laser ranging aiutano a localizzare con precisione i satelliti in orbita, ma forniscono anche informazioni accurate sulla posizione per le stazioni a terra sulla Terra. Con queste informazioni, gli scienziati possono persino arrivare a trovare il centro della massa della Terra, che è l’origine, o punto zero, del sistema di riferimento.
Misurazioni geodetiche critiche
Le misurazioni geodetiche – il laser ranging ai satelliti di riferimento come LAGEOS (Laser Geodynamic Satellites) – sono utilizzate per determinare costantemente la posizione del centro di massa della Terra fino al millimetro. Queste misurazioni sono fondamentali per consentire agli scienziati di assegnare una longitudine e una latitudine alle misurazioni dei satelliti e posizionarle su una mappa.
Eventi significativi come tsunami e terremoti possono causare piccoli cambiamenti al centro di massa della Terra. Gli scienziati hanno bisogno di misurazioni accurate del laser ranging per quantificare e comprendere tali cambiamenti, ha detto Linda Thomas, ingegnere di ricerca presso il U.S. Naval Research Laboratory a Washington.
Le misurazioni satellitari di fenomeni terrestri sottili ma importanti, come l’innalzamento del livello del mare, si basano su un sistema di riferimento accurato. La tendenza globale a lungo termine dell’innalzamento del livello del mare, così come le sue variazioni stagionali e regionali, si verificano a tassi di solo pochi millimetri all’anno. Il sistema di riferimento deve essere più accurato di tali cambiamenti se gli scienziati vogliono misurarli con precisione.
“La geodesia è una parte fondamentale della nostra vita quotidiana perché ci dice dove siamo e ci dice come sta cambiando il mondo”, ha detto Frank Lemoine, scienziato di progetto per il Space Geodesy Project della NASA.
