Obserwacje laserowe satelitów w Polsce

0

Polska posiada satelitarną stację laserową, która mieści się w Obserwatorium Astrogeodynamicznym w Borowcu niedaleko Kórnika (Wielkopolska). Niestety, od 25 marca 2010 roku na skutek zużycia elementów lasera ta stacja przestała pracować.  W kontekście wejścia Polski do ESA oraz budowy systemu Galileo jest ważne, by ta stacja ponownie rozpoczęła pracę.

Idea laserowych pomiarów odległości do satelitów narodziła się na początku lat sześćdziesiątych minionego stulecia w USA. Jednym z podstawowych założeń udanych pomiarów było wyposażenie takiego satelitę w specjalnie skonstruowane do tego celu odbłyśniki, które są układem kilku pryzmatów sześciennych. Pierwszym satelitą wyposażonym w takie odbłyśniki był amerykański BE-B (Beacon Explorer B), wystrzelony 10 października 1964 roku. Udany pomiar laserowy zarejestrowano w 1965 roku, a jego dokładność wynosiła wówczas kilka metrów.

Również Polska posiada satelitarną stację laserową, która mieści się w Obserwatorium Astrogeodynamicznym w Borowcu (Foto 1) niedaleko Kórnika (Wielkopolska), będącym częścią Centrum Badań Kosmicznych PAN (www.cbk.waw.pl). Stacja laserowa Borowiec pracuje regularnie od 1988 roku, stając się jednocześnie członkiem organizacji International Laser Ranging Service (ILRS, http://ilrs.gsfc.nasa.gov). W roku 1991 i w kolejnych latach stacja przeszła modernizację systemu laserowego, co pozwoliło osiągnąć dokładność obserwacji na poziomie 1-2 cm. Uzyskiwana jakość pomiarów  pozwalała na uczestnictwo stacji w wielu projektach o zasięgu międzynarodowym. 

Każda satelitarna stacja laserowa składa się z czterech głównych segmentów: lasera, teleskopu, aparatury pomiarowej oraz bazy czasu. Szybko rozwijająca się automatyzacja pozwoliła na ograniczenie udziału człowieka w tego typu obserwacjach i dziś do obsługi całego systemu wystarczy jeden operator.

Większość stacji wykorzystuje impulsowe lasery neodymowe typu YAG (Foto 2), ponieważ lasery te charakteryzują się bardzo dobrymi parametrami generowanego impulsu laserowego. Standardowy impuls takiego lasera ma częstotliwość na poziomie 10 herc, energię 20-30 milidżuli i czas trwania około 50 pikosekund. Do obserwacji satelitów wykorzystuje się teleskop nadawczo-odbiorczo-śledzący. W przypadku stacji Borowiec jest to teleskop w systemie Cassegrain-Maksutov (Foto 3). Całość sterowana jest komputerowo przez jedną osobę (Foto 4).

Na wyjściu takiego lasera otrzymuje się wiązkę światła o długości fali 532 nanometrów (barwa zielona), która jest widoczna dla obserwatora i łatwa do zarejestrowania przez detektory (Foto 5, Foto 6).

Każda obserwacja, każdy pojedynczy strzał i zarejestrowany impuls powrotny to informacja o czasie przebiegu impulsu laserowego na drodze stacja – satelita – stacja. Znając ten czas można wyznaczyć odległość do satelity. Im więcej razy wyznaczy się odległość do satelity, tym dokładniej będzie można określić jego orbitę. Dokładność pomiarów laserowych zależy od kilku czynników, przede wszystkim od stosowanego systemu dalmierza laserowego oraz warunków meteorologicznych panujących na terenie stacji w momencie dokonywania pomiarów, czyli temperatury powietrza, jego ciśnienia i wilgotności.

Szybki rozwój technologii laserów, elektroniki, optyki i mechaniki pozwolił na wzrost dokładności pomiarów laserowych do satelitów. Dziś ten poziom wynosi kilka milimetrów. W porównaniu do roku 1965 dokładność pomiarów laserowych wzrosła ponad kilkaset razy!

Ogromną zaletą, a zarazem przewagą techniki laserowej jest to, że dostarcza bezpośrednią informację o tym, gdzie dany satelita się znajduje. Ponadto wykorzystywana jest do kalibrowania orbit satelitów obserwowanych innymi technikami satelitarnymi. Bez wsparcia stacji laserowych wiele misji satelitarnych nie mogłoby być zrealizowanych.

Obecnie na świecie pracuje czynnie około 40 stacji laserowych rozmieszczonych głównie na półkuli północnej, z czego zdecydowana większość mieści się w Europie (Foto. 7).

Wszystkie stacje laserowe zrzeszone są w organizacji International Laser Ranging Service (ILRS), która koordynuje działania stacji, dostarcza danych z obserwacji laserowych oraz włącza nowe satelity i stacje do kampanii obserwacyjnych.

Typowe satelity obserwowane techniką laserową to ciężkie metalowe kule z odbłyśnikami. Satelity te charakteryzują się małym przekrojem poprzecznym, dużą masą oraz dobrze wyznaczoną poprawką na centrum masy. Umieszczano je na orbitach o różnych wysokościach, od 400 km dla satelity niemieckiego GFZ do ponad 19000 km dla rosyjskich satelitów Etalon. Dla geodezji najważniejszymi satelitami laserowymi są bliźniacze satelity amerykański Lageos 1 wystrzelony 4 maja 1976 roku oraz włosko-amerykański Lageos 2 wystrzelony 22 października 1992 roku, umieszczone na orbitach wzajemnie prostopadłych w odległości ok. 6000 km od powierzchni Ziemi.

Wszystkie kuliste satelity laserowe mają kilka wspólnych cech. Po pierwsze, na swej powierzchni nie mają żadnej aparatury. Są satelitami pasywnymi, tzn. transmisja sygnału (wiązka laserowa) odbywa się jednokierunkowo – od stacji obserwacyjnej do satelity. Po drugie, nie potrzebują paliwa. Raz nadana prędkość satelity i naturalne siły wpływające na niego wystarczą do tego, by mógł swobodnie okrążać Ziemię. Po trzecie, konstrukcja takich satelitów zapewnia im długotrwałą żywotność. Na pytanie, czy taki satelita kiedyś spadnie na Ziemię, można odpowiedzieć, że może to nastąpić w momencie, gdy dojdzie do poważnej kolizji z innym obiektem. Czas życia takiego satelity szacowany jest na wiele tysięcy, a nawet milionów lat!

Stacje laserowe śledzą nie tylko pasywne kule laserowe takie, jak Lageos, ale także inne satelity przeznaczone dla misji altimetrycznych, topograficznych, nawigacyjnych, czy też meteorologicznych. Regularna kalibracja laserowa orbit tych satelitów pozwala na stałą ich kontrolę, a na wypadek „zgubienia” satelity szybkie jego odnalezienie.

Powstałe programy orbitalne pozwalają na analizę orbit różnych satelitów obserwowanych techniką laserową. Analiza orbity tak szybko poruszającego się obiektu pozwala określić jego rotację, współrzędne stacji obserwacyjnej, współrzędne geograficznych biegunów Ziemi, modelować pole grawitacyjne Ziemi, globalny ruch płyt tektonicznych, wyznaczać prędkości przemieszczania się płyt tektonicznych, a także badać dynamikę ziemskiej atmosfery.

Odbłyśniki laserowe znajdują się również na powierzchni Księżyca (Foto 8). Umieszczone są na dwóch rosyjsko-francuskich łunochodach i trzech panelach pozostawionych przez astronautów misji Apollo 11, 14 i 15 na powierzchni Srebrnego Globu. Dzięki takim pomiarom wiemy więcej na temat dynamiki układu Ziemia-Księżyc, o samym ruchu Księżyca, jego parametrach geofizycznych, jak i o zmieniającej się odległości między Ziemią i jej naturalnym satelitą.

Aktualnie na liście ILRS znajdują się 42 różne obiekty ważne nie tylko dla nauki, ale także dla światowej gospodarki. Wszystkie wymagają wsparcia obserwacjami laserowymi, a tych obiektów wciąż będzie przybywać. Większość z tych obiektów była obserwowana przez stację Borowiec, a uzyskiwana jakość pomiarów dawała jej miejsce w pierwszej dziesiątce najlepszych stacji, konkurując między innymi ze stacjami amerykańskiej agencji kosmicznej NASA.

Satelity różnią się parametrami technicznymi oraz orbitalnymi. Najmniejszym satelitą obserwowanym laserowo jest rosyjski BLITS, będący małą kulką szklaną o średnicy 8,5 cm i ważący 7,5 kg, obiegający Ziemię na wysokości 830 km. Największym i najcięższym satelitą jest japoński satelita nawigacyjny QZS-1 o wymiarach 2,9 m x 3,1 m x 6,2 m, masie 4100 kg, obiegający Ziemię na wysokości od 32 000 do 40000 km.

Jeden z najdłuższych okresów nieprzerwanych obserwacji stacji Borowiec w latach 1993-2010 pozwalał stacji na udział w wielu projektach i kampaniach obserwacyjnych dotyczących wyznaczania ziemskiego układu odniesienia, wyznaczania środka masy Ziemi, wyznaczania ruchu ziemskiego bieguna, czy też eksperymentów transferu czasu. Jako jedna z niewielu stacji na świecie stacja Borowiec brała udział w eksperymencie T2L2 (Time Transfer by Laser Link) polegającym na jednoczesnym strzelaniu do satelity JASON-2 przez co najmniej dwie stacje laserowe wyposażone w bardzo dokładne zegary atomowe. Takie zegary znajdują się w Obserwatorium w Borowcu. Aktualnie na świecie trwają przygotowania do podobnego eksperymentu porównania wskazań zegarów umieszczonych na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS). Będzie to jeden z fundamentalnych eksperymentów współczesnej fizyki dotyczący bezpośrednio badań nad teorią względności Einsteina.

Niestety po ponad 20-latach nieprzerwanej pracy laser przestał działać. Od 25 marca 2010 roku na skutek zużycia elementów lasera stacja laserowa Borowiec przestała pracować, prowadząc teraz wyłącznie działalność edukacyjną w ramach ogólnopolskiego projektu EDUSCIENCE (http://www.eduscience.pl/). Aktualnie trwają starania, mające pomóc stacji na wznowienie obserwacji. Nie jest to łatwe zadanie, ale niezwykle ważne i potrzebne polskiej nauce.

W kontekście wejścia Polski do ESA i stania się jej członkiem, jak również budowy systemu Galileo, na który Polska również przeznacza pieniądze konieczne jest utrzymanie satelitarnej techniki laserowej w Polsce. Na orbicie są już 4 satelity Galileo z przewidywanych 30-tu, które utworzą europejski system lokalizacyjny. Wszystkie będą wyposażone w odbłyśniki laserowe. W przyszłości wystartują nowe misje satelitarne (geodezyjne, grawimetryczne, geodynamiczne, altimetryczne), wymagające wsparcia przez obserwacje laserowe. Od 13 lutego bieżącego roku na orbicie krąży satelita LARES (http://www.lares-mission.com/), który ma wyraźniej niż inne misje satelitarne potwierdzić efekt Lensa-Thiringa i teorię względności Einsteina. W najbliższym czasie rusza kilka następnych projektów, które będą wymagały wsparcia obserwacjami laserowymi, takich jak transfer czasu z Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (projekty Atomic Clock Ensemble in Space (ACES) i European Laser Transfer (ELT)), kalibracje satelitów systemów nawigacyjnych Galileo i nowej generacji GPS, pomiary poziomu mórz i oceanów przez satelity altimetryczne i inne. Niestety Borowiec wypada z tych projektów, bo nie ma funduszy na nowy laser.

Brak stacji laserowej w Polsce to nie tylko straty prestiżowe, ale także znaczna strata dla polskiej nauki.

Redakcja serwisu Kosmonauta.net serdecznie dziękuje Panu Dr Pawłowi Lejba za przesłany tekst.

Foto 2. Laser na stacji Borowiec. / Foto OA Borowiec. Foto 3. Teleskop do obserwacji laserowych. / Foto OA Borowiec. Foto 4. Pokój operatora. / Foto OA Borowiec. Foto 5. Wiązka laserowa 'na wyjściu' teleskopu. / Foto OA Borowiec.Foto 6. Wiązka laserowa nad miastem Kórnik. / Foto OA Borowiec. Foto 7. Schemat przedstawiający rozkład stacji laserowych na powierzchni Ziemi / źródło ILRS Foto 8. Panel o wymiarach 104 x 61 cm z 300 odbłyśnikami laserowymi pozostawiony przez misję Apollo 15 na powierzchni Księżyca. Foto NASA

Share.

Comments are closed.