Warmtestraling stuwt ‘kanonskogel’ naar aarde

Met zijn 426 reflectors lijkt de satelliet Lageos wat op een discobal. (Foto: Nasa)

Een stuwkracht die duizend miljard maal kleiner is dan de zwaartekracht op aarde. Met deze kracht wijkt Lageos van zijn uitgestippelde baan en begeeft hij zich gemiddeld een millimeter per dag dichter naar de aarde. De kleine afwijking van de satelliet stelde wetenschappers decennia voor een groot raadsel. Daar waar hij cirkelt, op ongeveer zesduizend kilometer hoogte, zijn geen deeltjes die de satelliet afremmen. Ook de interactie met het aardmagnetisch veld is er te klein om het effect te verklaren. Wilde theorieën gingen daarom rond. “Er was zelfs een theorie die stelde dat de zwaartekracht van de aarde moest toenemen”, lacht prof.ir. Boudewijn Ambrosius van de L&R-afdeling department of earth observation and space systems (Deos). “Die theorie gaat wel erg ver. Waar zou die extra massa op aarde vandaan moeten komen?”

Toch vindt Ambrosius het niet gek dat de afwijking de gemoederen zo heeft beziggehouden. “Juist van een satelliet als Lageos, eigenlijk niets anders dan een kanonskogel, verwacht je een dergelijke afwijking niet. Het is een massieve metalen bol van zestig centimeter doorsnede, zonder uitstekende panelen.”

De Spanjaard dr. drs. José Ignacio Andrés de la Fuente, die afgelopen vrijdag cum laude promoveerde bij Ambrosius, heeft nu alle speculaties uit de wereld geholpen. Hij toonde aan dat de zon Lageos ongelijkmatig verwarmt doordat spiegeltjes aan het oppervlak van de satelliet onder verschillende hoeken op de satelliet zijn bevestigd. Ook de stand van de draaiingsas van de satelliet blijkt van invloed op de opwarming. Doordat de satelliet om zijn as draait, verandert de warmteverdeling continu en fluctueert ook de snelheid waarmee hij daalt.

Ambrosius: “Het netto-resultaat is dat de satelliet aan één kant meer warmte uitstraalt. De wegschietende fotonen ten gevolge van de warmtestraling veroorzaken een kleine terugslag. Hierdoor begeeft de satelliet zich richting aarde.”

Sinds de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie Nasa de satelliet in 1976 lanceerde om de verschuiving van de aardschollen te onderzoeken, doet Ambrosius veel modelleerwerk aan de satellietbaan. “Lageos staat voor Laser Geodynamics Satellite”, legt Ambrosius uit. “De satelliet is bedekt met 426 reflectoren die lichtstralen terug reflecteren in de richting van herkomst. Met behulp van laserpulsen kunnen we tot op de millimeter nauwkeurig afstanden tot de satelliet meten en daaruit kleine bewegingen van de aardkorst afleiden.”
Reflectoren

Twintig jaar geleden al werd de theorie geopperd van de ongelijke warmteverdeling. Onderzoekers voerden de thermodynamica in een model in en zagen dat de satelliet inderdaad van het uitgestippelde pad afweek. Maar men kon niet goed verklaren hoe het mogelijk was dat de zon de satelliet ongelijk opwarmde en hoe het kwam dat Lageos soms sterk daalde en dan weer minder snel.

“Volgens sommigen was de satelliet tijdens de lancering aan een kant vuil geworden, waardoor hij de zonnestralen ongelijk absorbeerde”, zegt Andrés de la Fuente. “Dit leek mij zeer onwaarschijnlijk. Toen in 1992 een tweede Lageos werd gelanceerd die dezelfde afwijking vertoonde, was ik er zeker van dat het ergens anders aan moest liggen.”

Andrés de la Fuente onderzocht de bouwtekeningen van de satelliet. Ambrosius: “Hij onderzocht elk schroefje.” Uiteindelijk kwam hij tot de conclusie dat de reflectoren niet allemaal onder exact dezelfde hoek op de satelliet gemonteerd waren. Dit was expres gedaan om ervoor te zorgen dat de satelliet laserpulsen optimaal terugkaatst. Toen de satelliet was ontworpen, was de meetnauwkeurigheid zoveel kleiner, dat niemand er rekening mee had gehouden dat de wjze waarop de spiegels gemonteerd waren ook van invloed zou zijn op de reflectie van zonnestralen.

“Het proefschrift is een standaardwerk geworden waar geen Lageosonderzoeker omheen kan”, zegt Ambrosius. “Nu we deze kennis hebben, kunnen we nog nauwkeuriger meten, bijvoorbeeld aan het zwaartekrachtveld van de aarde. We kunnen beter volgen hoe de vorm van de aarde verandert. En hieruit kunnen we bijvoorbeeld afleiden hoe magmastromen onder de aardkorst stromen en wat het effect is van het smelten van ijskappen op de vorm van de aarde.”

img:wetenschap_39_26.jpg