Zapomeňte na dokonalou modrou kuličku, kterou znáte z fotografií NASA. Zapomeňte na glóbus s hladkým povrchem, kterým jste otáčeli ve školních lavicích. Skutečný tvar Země, definovaný její gravitační silou, se mnohem více podobá pokřivené, hrbolaté bramboře. Tento podivuhodný a pro vědu nesmírně cenný model, známý jako „Potsdamská gravitační brambora“, není jen bizarní kuriozitou. Je to jeden z nejpřesnějších portrétů naší planety, který nám umožňuje nahlédnout hluboko pod povrch, sledovat tající ledovce a chápat skryté síly, které formují náš svět.
Tento model, jehož vizualizace obletěly svět, je výsledkem desetiletí práce a dat z nejpokročilejších satelitních misí. Jeho jméno odkazuje na Helmholtzovo centrum v Postupimi (GFZ), jedno z předních světových pracovišť v oblasti geověd, kde byla tato data zpracována do finální podoby. Ale co vlastně tato gravitační brambora představuje a proč je tak důležitá?
Co je to geoid a proč je hrbolatý?
Potsdamská brambora je vizualizací takzvaného geoidu. Geoid není fyzický povrch, po kterém chodíme. Je to teoretická plocha, která představuje průměrnou hladinu světových oceánů, pokud by byly v naprostém klidu, bez vlivu větru, přílivu a odlivu, a reagovaly by pouze na gravitační sílu Země a její rotaci. Tato plocha by plynule pokračovala i pod kontinenty. Jednoduše řečeno, je to plocha se stejným gravitačním potenciálem – „skutečná“ hladina nula.
A proč není tato plocha dokonalou koulí? Protože gravitační síla Země není všude stejná. Její rozložení je nerovnoměrné, což způsobuje, že geoid je plný „kopců“ a „údolí“. Důvody jsou především dva:
-
Nerovnoměrné rozložení hmoty na povrchu: Obrovské horské masivy jako Himaláje nebo Andy mají větší hmotnost, a tedy i silnější gravitační přitažlivost, která „přitahuje“ vodu a vytváří na geoidu vybouleninu. Naopak hluboké oceánské příkopy mají hmoty méně, což vede k mírnému gravitačnímu „propadlišti“.
-
Nerovnoměrné rozložení hmoty pod povrchem: Toto je ještě důležitější faktor. Zemský plášť není homogenní. Jsou v něm oblasti s hustšími, chladnějšími horninami a oblasti s lehčími, teplejšími horninami (například pod horkými skvrnami jako je Island nebo Havaj). Tyto rozdíly v hustotě, často kilometry pod našima nohama, se výrazně projevují na tvaru geoidu.
V modelu Potsdamské brambory jsou tyto odchylky od dokonalé koule pro názornost extrémně zvětšeny. Červené oblasti představují místa se silnější gravitací (gravitační „kopce“), zatímco modré oblasti značí místa se slabší gravitací (gravitační „údolí“). Rozdíl mezi nejvyšším a nejnižším bodem geoidu je ve skutečnosti jen asi 200 metrů, což je na planetě o průměru téměř 13 000 kilometrů zanedbatelné, ale pro vědu klíčové.
Jak se takový model měří? Oči ve vesmíru
Změřit tyto nepatrné gravitační odchylky z povrchu Země je prakticky nemožné. Revoluci přinesly až satelitní mise speciálně navržené pro tento účel. Mezi nejdůležitější patří:
-
GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment): Tato mise, fungující v letech 2002–2017 (a její nástupce GRACE-FO od roku 2018), využívala geniálně jednoduchý princip. Dva identické satelity obíhaly Zemi za sebou ve vzdálenosti asi 220 km. Když první satelit přeletěl nad oblastí se silnější gravitací (např. horským masivem), byl mírně zrychlen a vzdálenost mezi oběma satelity se nepatrně zvětšila. Když nad stejným místem přeletěl druhý satelit, vzdálenost se opět zmenšila. Mikrovlnný dálkoměr měřil tyto změny vzdálenosti s přesností na mikrometry, což umožnilo vytvořit dynamickou mapu gravitačního pole.
-
GOCE (Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer): Tato elegantní, aerodynamická družice, přezdívaná „Ferrari vesmíru“, obíhala Zemi na extrémně nízké dráze (jen 255 km) v letech 2009–2013. Byla vybavena extrémně citlivým gradiometrem, který měřil gravitační gradienty (změny v gravitačním poli) ve třech osách. GOCE poskytla bezprecedentně detailní a statickou mapu geoidu, která je základem pro většinu moderních modelů, včetně Potsdamské brambory.
K čemu je „brambora“ dobrá? Od oceánů po klimatickou změnu
Znalost přesného tvaru geoidu není jen akademickým cvičením. Má zásadní praktické dopady v mnoha oborech:
-
Oceánografie: Hladina moře není rovná. Rozdíly v její výšce, způsobené oceánskými proudy, teplotou a salinitou, se měří pomocí satelitní altimetrie. Abychom ale věděli, kam a jak rychle voda skutečně teče, musíme od naměřené výšky mořské hladiny odečíst výšku geoidu. Geoid je tedy absolutní referenční bod, bez kterého bychom nemohli přesně modelovat oceánské proudy, jako je Golfský proud, které zásadně ovlivňují globální klima.
-
Sledování klimatické změny: Mise GRACE a GRACE-FO jsou našima očima, které sledují tání ledovců. Když v Grónsku nebo Antarktidě roztají miliardy tun ledu a odtečou do oceánu, změní se v dané oblasti rozložení hmoty. To způsobí měřitelnou změnu v lokálním gravitačním poli – oblast se stane gravitačně „lehčí“. Satelity GRACE jsou schopny tuto změnu detekovat a vědci tak mohou s vysokou přesností spočítat, kolik ledu planeta každý rok ztrácí. Je to jeden z nejpřímějších a nepopiratelných důkazů globálního oteplování.
-
Geodézie a GPS: Pro běžného uživatele udává GPS polohu na povrchu. Pro přesné geodetické a stavební práce je však nutné znát nadmořskou výšku. A co je nadmořská výška? Je to výška právě nad geoidem. Přesné modely geoidu jsou proto integrovány do systémů GPS, aby dokázaly poskytnout přesnou vertikální polohu.
-
Geofyzika: Gravitační anomálie nám prozrazují mnohé o procesech hluboko v zemském plášti. Pomáhají nám mapovat pohyby tektonických desek, identifikovat vzestupné proudy horkého magmatu (tzv. plášťové chocholy) a lépe rozumět dynamice, která pohání celou naši planetu.
Potsdamská gravitační brambora je tak mnohem víc než jen ošklivý model. Je to elegantní syntéza fyziky, kosmického inženýrství a geověd. Je to nástroj, který nám připomíná, že naše planeta není statický kus kamene, ale živý, dynamický a neustále se měnící systém. A díky této podivné „bramboře“ mu rozumíme lépe než kdy dříve.
