V tuto chvíli létá nad našimi hlavami přes 2000 umělých družic Země na nejrůznějších drahách, téměř 6000 úlomků větších než asi 10 cm2 (které lze registrovat radarem), a neznámý (ještě větší) počet menších tělísek. Převažuje neužitečný (a nebezpečný) šrot. Momentálně prospěšných družic je pár stovek.
Pod pojmem “družice” si většina lidí vybaví plechovku s nějakými přístroji jejichž smysl jim uniká, a plácačky s panely slunečních baterií. Lidé přestali být fascinováni faktem, že kolem Země létají velké konzervy s lidmi i rafinované automaty, které “přečtou” číslo na zaparkovaném autě nebo rozpoznají láhev od piva. Zvykli si, že kosmický výzkum má široké praktické uplatnění (od špionáže přes meteorologii a mapování, k průběžnému sledování úrody až po ekologii) a berou to za samozřejmost.
ZEMĚTŘESENÍ S PŘEDPOVĚDÍ
Existuje uzoučká kategorie družic bez aktivních přístrojů, “dělových koulí”, o kterých (podle mé zkušenosti) veřejnost neví vůbec nic. Ani že jsou. Přitom cíl výzkumné práce s nimi je naprosto fascinující: sledovat pohyby zemské “kůry” a v brzké budoucnosti přispět k předpovědím zemětřesení.
Jedná se o “geodynamické družice” vybavené jen koutovými odrážeči (retroreflektory) pro sledování laserovými dálkoměry ze Země. Laserová měření šikmých délek od pozemského přístroje k retroreflektorům na povrchu družice se použijí k výpočtu parametrů dráhy družice a geocentrických souřadnic samotného dálkoměru. Dlouhé série měření opakovaných na identických bodech prozradí vzájemné pohyby bloků zemské “kůry” (litosféry, horních asi 100 km od povrchu planety) vůči svrchní části zemského “pláště” (astenosféře), neboť pozorovací stanice (laserový dálkoměr) se pohybuje spolu s dotyčným blokem “kůry”. Tyto “posuny” úzce souvisejí s výskytem zemětřesení, avšak nelze jednoduše říci, že kde je pohyb, bude i zemětřesení. Vnitřní teplo, které si Země udržuje od svého vzniku radioaktivními procesy v nitru, působí masivní, celoplanetární, ale lidským měřítkem posuzováno, pomalé přesuny hmot také mezi astenosférou a litosférou. Litosféra je “rozbita” na různě velké bloky, které se vůči sobě vzájemně pohybu jí.
Geologické a geodetické údaje nasvědčují, že jde o rychlosti 1 až 10 centimetrů za rok převážně v horizontálním (vodorovném) směru. V některých hraničních zónách se bloky od sebe vzdalují (magma z astenosféry se tlačí na mořské dno, např. oceánské hřbety), jinde podél své hranice “kloužou” (Kalifornie – zlomy oddělující pacifickou a severoamerickou desku) a někde jeden blok koliduje s druhým a může se pod něj podsouvat (střet indického subkontinentu s Euroasií, s vyvrásňováním Himalájí nebo subdukční zóna okolo Japonska mezi Tichým oceánem a Euroasií).
“DRUŽICE JAKO DĚLOVÉ KOULE”
Zapojme fantazii a představme si, že na různých blocích máme fixované “puntíky” (pozorovací stanice s laserovými dálkoměry), a že jejich poloha je definována trojicí souřadnic s počátkem v těžišti Země (tzv. geocentrických), vztažena k zemskému rovníku a k rotační ose Země (to družice umožňují). Geocentrické souřadnice puntíků jsou opakovaně určovány z měření. Přitom fyzická realizace měřičckého místa na zemském povrchu je dána značkou na pilíři pevně zabudovaném ve skále, aby se vyloučil místní nereprezentativní pohyb podloží. Vzájemný pohyb litosférických bloků se pak z delší řady měření pozná jako změny geocentrických souřadnic pozorovacího místa s časem.
Vzdálenosti mezi stanicí a družicí měří laserový dálkoměr, což je “středně velký dalekohled”, doplněný výkonným pulzním laserem. Ten vyšle k družici kratičký impulz a za moment přijme dalekohled jeho odraz od družice. Změříme čas potřebný k letu tam a zpět, a z toho spočteme šikmou vzdálenost k družici.
Aby se od povrchu družice vůbec něco odrazilo, nemůže být ledajaký; je “poset” koutovými odrážeči, což jsou pravoúhlé hranoly (připomínající odrazová sklíčka), které vracejí dopadlé světlo laseru se Země původním směrem téměř beze ztráty intenzity.
Geodynamické družice jsou koule vybavené jen koutovými odražeči. Kdyby na nich byly další přístroje a sluneční panely, měly by nepravidelný tvar. Pak by nastal problém s přesným určením jejich dráhy, a tím i jejich geocentrických souřadnic. Každá družice na dráze kolem Země totiž podléhá poruchám (změnám dráhy) v důsledku gravitačního pole Země a trochu i Měsíce, Slunce a planet, a negravitačním poruchám (od tlaku slunečního záření a odporem atmosféry, neboť i ve výškách například 500 km není dokonalé vakuum a družice se o atmosféru brzdí a její dráha se mění).
Negravitační poruchy dráhy umíme spočítat s menší přesností než poruchy gravitační, a tak senegravitačních snažíme zbavit. Jednou z cest, jak to provést, je speciální konstrukce družice: malá těžká a pravidelného tvaru, nejlépe kulatá. Jde skutečně o “dělové koule” (viz tabulka); na jejich povrchu jsou namontovány retroreflektory.
POMNÍKY NAŠÍ CIVILIZACE
První geodynamickou družicí byl francouzský STARLETTE (hvězdička) z roku 1975, i když koncept “dělové koule” (Cannonball) pochází z USA. Američané vypustili jako první geodynamickou družici LAGEOS (LAser GEOdynamic Satellite) v r. 1976. Pak následoval japonský EGP neboli AJISAI (1986), ruský ETALON 1 (1989), pak ještě LAGEOS 2 a ETALON 2, a konečně loni německý GFZ 1 (obrázky družic v příloze; základní údaje v tabulce). Až na výjimku (AJISAI), mají všechny družice jen koutové odrážeče; na AJISAI jsou navíc vypouklá zrcátka, odrážející sluneční světlo, umožňující ještě jiný typ měření než laserovými dálkoměry.
Materiál geodynamických družic je vybrán tak, aby měl co největší hustotu. Malá, těžká a kulatá družice je pak “velmi odolná” vůči negravitačním poruchám. Odrážeče bývají na segmentech nebo polokoulích z hliníkohořčíkové slitiny, jádro je však mosazné, popřípadě z neradioaktivního uranu, u Etalonů kupodivu duté!
Laserových dálkoměrů není stále dost, aby jejich síť byla patřičně hustá a odvozené litosférické pohyby všude representativní.
Geografické rozložení stanic není rovnoměrné. Dálkoměrů je nejvíce v USA a v Evropě, v Africe jen jeden (shodou okolností český v Egyptě), v Antarktidě žádný. Proto se konstruují dálkoměry převozné na návěsu nákladního auta. Ty pak putují od jedné pozorovací stanice ke druhé. Existuje i projekt laserového dálkoměru, který by byl na družici, a měřil šikmé vzdálenosti ke koutovým odrážečům, umístěným v libovolně husté síti na zemském povrchu v oblasti, která nás nejvíce zajímá.. . . . .
Dnešní postup měření od Země do prostoru by byl tedy obrácen; stačil by teoreticky jeden velmi přesný laserový dálkoměr, ale ten na oběžnou dráhu kolem Země zatím nikdo nedostal; nebyly peníze.
Kolem Měsíce jeden takový (podstatně méně přesný) laserový výškoměr létal – v rámci projektu Hvězdných válek (sonda Clementine).
Dlouhé série měření, zejména z družice LAGEOS 1, ukazují již některé výsledky v celkem rozumné shodě s předpovědí podle geofyzikálních modelů. Velikosti a směry litosférických pohybů odvozené z obou typu měření ukazuje obrázek. Toto jsou výsledky práce celé řady lidí; stávají se vstupními daty pro geofyzika, který je spolu s dalšími bude interpretovat.
Geodynamické družice, “strážci” neklidné planety, dopomohly k vytvoření celosvětového geocentrického souřadného systému pro účely geodézie a mapování. Ve spojení s dalšími kosmickými i tradičními pozemskými metodami budou v rukou specialistů prostředkem k předpovědím velkých zemětřesení. Geodynamické družice jsou pomníkem naší civilizace. Většina z nich (až na Starlette a Stellu) létá tak vysoko, a díky své konstrukci jsou tak málo náchylné na brzdění o atmosféru, že jejich životnost ve dráze se odhaduje na miliony let (8 mil. pro LAGEOS 1 a 2). My už tu dávno nebudeme (?), ony ano. Uvnitř družice Lageos 1 je proto zpráva o nás pro případného budoucího nálezce; na destičce je m. j. nakresleno uspořádání kontinentů v době vypuštění družice (k usnadnění datování nálezu).
