About Me

My photo
Pune/ India, Irvine/ CA, now Boulder/ CO
Welcome to my blog! I'm Hrishi from Pune, India. I am an earth system scientist currently working as a postdoctoral research associate at Colorado Center for Astrodynamics Research at CU-Boulder. Here I mostly write (though not as frequently as I hope to) about my travels, landscape photography, scientific computing, book and film reviews, fitness, cooking, and science communication. Feel free to navigate based on the labels below. My website: hrishikeshac.wix.com/hchandan

Labels

Friday, March 17, 2017

ग्रेस उपग्रह : काय आहेत? काय पाहतात? कसे पाहतात?

(वाचकहो : माझे मागील मराठी लेखन हे ग्रेस इतकेच जुने आहे (इयत्ता १०वीचा पेपर). त्यामुळे चुका होणे साहजिक आहे. तरी त्या माझ्या निदर्शनात आणून द्याव्यात ही नम्र विनंती. आणि तसा आवघड समजला जाणारा हा विषय सोप्प्या भाषेत मांडण्याचा हा प्रयत्न आहे. तरी भाषा आणि विषय या दोन्ही संधर्बात आपल्या प्रतिक्रिया ह्या लेखाच्या अंती दिलेल्या 'कमेंट्स' क्षेत्रात जरूर द्याव्यात. तसेच अश्या विषयांवर तुम्हाला कुठल्या ठराविक संकल्पना (उदा. जागतिक हवामान बदल, समुद्रपातळीतील वाढ, इत्यादी) समजावून घ्याव्यात असे वाटत असल्यास त्याबद्दल ही लिहावे आणि मी त्यांच्याबद्दल असे लेख लिहिण्याचे जरूर प्रयत्न कारेन.)
_____________________________________

१७ मार्च २००२ रोजी, जेंव्हा मी नुकतीच इयत्ता १०वीची परीक्षा देऊन सुट्टीचा आनंद घेत होतो (आणि भ्रमिक सुटकेचा खरा निःश्वास सोडत होतो), अमेरिकेच्या 'नासा'ने, जर्मन अंतराळ संशोधक संस्थे (जिला आपण जिभेला व्यायाम न देता फक्त 'डी.एल.आर' असे संबोधुयात) च्या सहाय्याने, 'ग्रॅव्हिटी रिकव्हरी अँड क्लायमेट एक्सपेरिमेंट' अथवा संक्षिप्त रूपाने 'ग्रेस', हे मिशन अवकाशात २ उपग्रह सोडून सुरु केले. फक्त ५ वर्ष टिकण्याची अपेक्षा असलेल्या, आणि आपल्याला पृथ्वीवरील पाण्याबद्दल अभूतपूर्व माहिती देण्याऱ्या, ह्या उपग्रहांनी आज तब्बल १५ वर्षे पूर्ण केलीत. त्या निमित्ताने हा लेख. 

आधी थोडी पार्श्वभूमी : उपग्रह म्हटले तर आपल्या मनात अंतराळ संशोधन येते. पण तुम्हाला माहित आहे का की आपल्याला पृथ्वी संदर्भातील बरीचशी माहिती ही उपग्रहांमुळेच मिळते? समुद्रपातळीची वाढ, हवामान बदल, पर्जन्यवृष्टी आणि दुष्काळ, ऍमेझॉन मधील प्रचंड जंगलतोड, जमीन वापरातील होणारा बदल, ही काही उदाहरणे. उपग्रहांच्याआधी पृथ्वीचा असा अभ्यास विमानांवरून अथवा गरम हवेच्या फुग्यांवरून काढलेल्या छायाचित्रांनी केला जायचा. सध्या चालक-विरहित विमान (ज्याला 'ड्रोन' असेही म्हणतात) यांचा ही वापर केला जातो. असा दूर वरून पृथ्वीचा अभ्यास करण्याऱ्या विषयाला 'रिमोट सेन्सिंग' असे म्हणतात. नासा, इस्रो बरोबर जपानी, युरोपियन देशांच्या अश्या बऱ्याच अंतराळ संशोधक संस्था कार्यरत आहेत ज्या पृथ्वीचा अभ्यास करण्यास अवकाशात उपग्रह सोडतात, आणि त्यांकडून आलेली माहिती जागतिक संशोधनासाठी फुकट पुरवतात. ह्या प्रत्येक उपग्रहाच्या मागे विशिष्ठ हेतू असतो, ज्या प्रमाणे तो उपग्रह, त्याचा पृथ्वी प्रदक्षिणेचा मार्ग (अथवा 'ऑरबिट'), त्याच्यावर असलेली विविध यंत्रे, इत्यादी ठरले जातात. काही उपग्रहांवर अक्षरशः कॅमेरे असतात. पण हे कॅमेरे माणसांना न दिसणाऱ्या लहरींमुळे फोटो काढतात. जंगलतोड, जमीन वापरातील बदल याची माहिती असे उपग्रह देतात. ह्या प्रकाराला 'ऑप्टिकल रिमोट सेन्सिंग ' असे म्हणतात. तसेच, काही उपग्रहांवर 'रडार' उपकरणं असतात जे पृथ्विस्थरावर रडार लहरी (सिग्नल) सोडतात आणि त्या प्रतिबिंबित होऊन आल्याची वेळ मोजतात (पाणबुड्या जश्या समुद्रतळ समजायला 'सोनार' तंत्रज्ञान वापरतात तसेच). समुद्र, तलाव, इत्यादींच्या पातळीतील बदल असे मोजले जाऊ शकतात. या प्रकाराला 'रडार रिमोट सेन्सिंग' म्हणतात. असे 'रिमोट सेन्सिंग' चे बरेच प्रकार आहेत. असो. अश्या उपग्रहांच्या तुलनेत ग्रेस हे फारच वेगळे आहे. शास्त्रावर भर, आणि अत्यंत सोप्प्या तंत्रज्ञानाचा वापर केल्याने हे मिशन तसे स्वस्त ही आहे. 

तर, ग्रेस मिशन नक्की काय आहे?
ग्रेस मिशन हे दोन जुळे उपग्रह आहेत जे पृथ्वीच्या गुरुत्वाकर्षणाच्या बदलांची माहिती देते. पण त्याआधी गुरुत्वाकर्षणची थोडी पार्श्वभूमी : न्यूटन ने सांगितल्याप्रमाणे, कुठल्याही वस्तू ज्यांना वस्तुमान ('मास', किंवा वजन) आहे, त्या एकमेकांना आकर्षित करतात. आणि ह्या आकर्षणाचे प्रमाण त्याच्या वस्तुमानावर आणि एकमेकांमधील अंतरावर अवलंबून असते. पृथ्वी इतकी जड आहे आणि आपण तिच्या इतक्या जवळ आहोत, आणि आपले वस्तुमान तिच्या तुलनेत इतके क्षुल्लक आहे म्हणून आपण तिला चिकटतो. तसेच चंद्र जरी आपल्या मानाने पृथ्वी पासून लांब असला, तरी त्याचे वस्तुमान इतके मोठे आहे की पृथ्वीही त्याकडे (आणि चंद्र पृथ्वी कडे) आकर्षित होते. खरेतर पृथ्वीचा प्रत्येक भाग (कण) चंद्रापासून वेगवेगळ्या अंतरावर असल्याने वेगवेगळ्या प्रमाणात आकर्षित होतो, पण पृथ्वी आकारबद्ध असल्याने, हे सर्व भाग एकत्रित मध्यम आकर्षण दाखवतात. त्यामानाने पृथ्वीवरील पाणी (समुद्र) निराकार असल्याने, त्याचे प्रत्येक भाग त्यांचे वेगवेगळे आकर्षण दाखवू शकतात. त्याला आपण भरती/ आहोटी म्हणतो. भरती/आहोटी वर सूर्याचा ही परिणाम होतो, पण सूर्य जरी चंद्रापेक्षा खूप वजनदार असला, तरी तो खूप लांब असल्याने त्याचा परिणाम चंद्राच्या तुलनेत खूप कमी पडतो. असो. तात्पर्य असे की गुरुत्वाकर्षण हे दोन वस्तूंचे वजन आणि त्यांच्यामधील अंतर यावर अवलंबून असते.  

आता पृथ्वीवरील गुरुत्वाकर्षणावर थोडे बोलूयात. जरी पृथ्वी 'गोलाकार' असली, तरी ती काही परिपूर्ण गोल नाही, हे तुम्ही शाळेत शिकलेच असाल. त्यातही, पृथीवर दऱ्या-खोरे, मोठं-मोठे डोंगर इत्यादी असल्याने, पृथ्वीचे सगळेच भाग काही सारख्याच वजनाचे नसतात. उदाहरणार्थ , हिमालयासारख्या पर्वतांचे वजन जास्त असते, आणि वर सांगितल्या प्रमाणे, त्यांचे एखाद्या वस्तूवर जास्त गुरुत्वाकर्षण होईल. ह्याच्या उलट, त्याच वस्तूला दर्या-खोऱ्या, त्यांचे वजन कमी असल्याने, कमी गुरुत्वाकर्षित करतील. ह्या तत्वाचा वापर ग्रेसचे दोन उपग्रह अत्यंत सुंदररित्या करतात. 

ग्रेसचे दोन उपग्रह हे जुळे आहेत, आणि ते एकाच मार्गाने एका-मागे-एक असे पृथ्वी भोवती प्रदक्षिणा घालतात. त्यांना शास्त्रज्ञ गमतीने 'टॉम आणि जेरी' म्हणतात! टॉम आणि जेरी साधारणतः ४५० किलोमीटर उंचीवर उडतात, आणि त्यांच्यातले अंतर हे साधारणतः २२० किलोमीटर असते. आणि त्यांच्यावर एक यंत्र (के-बँड माय्क्रोवेव्ह रेंजिंग यंत्र) असते जे टॉम आणि जेरी मध्ये किती अंतर आहे हे एकदम अचूकपणे मोजते. एका प्रकारे हे यंत्र ट्रॅफिक पोलीस जे गाड्यांचा स्पीड मोजायला वापरतात अगदी तसेच असते, पण खूपच अचुक. इतके, की दोघा उपग्रहांमधील अंतर जरी आपल्या केसांच्या जाडीच्या दसपट कमी प्रमाणाने जरी बदलले, तरी ते मोजले जाते! आता, मागील परिच्छेदात सांगितल्याप्रमाणे, एखादा डोंगर ह्या उपग्रहांना जास्त आकर्षित करेल एखाद्या दरीच्या तुलनेत. आणि त्याही आधीच्या परिच्छेदात सांगितल्याप्रमाणे, जेरी पुढे असल्याने, तो त्या डोंगराकडे जास्त प्रमाणात आकर्षित होईल टॉमच्या तुलनेत (जो ~ २२० किलोमीटर मागे असतो). ह्या गुरुत्वाकर्षणाच्या फरकाने, जेरी आणि टॉम मधील अंतर अगदी सुक्ष्म रित्या बदलेल, पण तो सूक्ष्म बदल ही के-बँड माय्क्रोवेव्ह रेंजिंग यंत्राने अचूकपणे मोजल्या जातो. या अंतर बदलाच्या माहितीचा वापर, बऱ्याच विविध आणि क्लिष्ठ प्रक्रियेनंतर, पृथ्वीवरील गुरुत्वाकर्षणातील बदलांमध्ये होतो, आणि आपल्याला ह्या गुरुत्वाकर्षणातील बदलांचे साधारणतः २०,००० चौरस किलोमीटर अचूकतेचे जागतिक मासिक नकाशे मिळतात. 


पृथीभोवती प्रदक्षिणा घालताना 'टॉम आणि जेरी' (सौजन्य : https://www.wikipedia.org/)

ते सगळे ठीक आहे, पण ह्या गुरुत्वाकर्षणातील बदलांच्या माहितीचे करायचे काय?

लोणचे तर नक्कीच नाही. हे बदल कशा मुळे होऊ शकतात ते बघुयात. खरेतर कुठली ही वस्तू जिचे खूप वजन आहे आणि जी हलते आहे तिचा त्या भागातील गुरुत्वाकर्षणावर फरक पडेल. उदाहरणार्थ, पृथ्वीच्या गर्भातील हलत्या लाव्हारसामुळे (ज्याला अस्थेनोस्फियर म्हणतात) ही त्या भागातील गुरुत्वाकर्षणात बदल होतील. पण ह्या लाव्हारसाची गती खूपच हळू असल्याने (अगदी दर वर्षी काही सेंटीमीटर ह्या स्थरावर) मासिक नकाशांमध्ये तरी ते उठून दिसत नाहीत. थोडक्यात, मासिक पातळीवर ४५० किलोमीटर (२००,००० चौरस किलोमीटर चा वर्गमुळ) तरी हलणारी जड वस्तू पाहिजे. तुम्हाला अशी वस्तू माहीत आहे का?
पाणी. ते खरे सोने आहे ज्यासाठी ग्रेसचे उपग्रह १५ वर्षांपूर्वी आवकाशात झेपावले. 

पाणी हे हवेपेक्षा साधारणतः १०००पट घनदाट असते. आणि समुद्रातून दमट वारे जमिनीवर पाऊस आणून नदीच्या रूपाने सागरात परत जाण्याचे जागतिक जलचक्र तर तुम्ही शाळेत शिकलातच असाल. हे जलचक्र जरी खूप सोप्पे वाटत असले, आणि एकाच स्थळावर किंवा पाणलोट पातळीवर त्याची अचूक मोजमाप करणे जरी थोड्याफार प्रमाणात शक्य असले, तरी जागतिक अथवा प्रादेशिक पातळीवर ते चक्र आणि त्यातील बदल मोजणे खूप अवघड आहे. इथे ग्रेस मिशन अतिशय महत्वाचे ठरले आणि खूप कामात आले. कसे ते बघुयात. 

आधी सांगितल्या प्रमाणे, ग्रेस उपग्रह पृथीवरील वस्तुमान (वजन) याचा मासिक पातळीवर झालेला बदल मोजतात. इथे आपण एक लक्षात घेतले पाहिजे की ग्रेसने मोजलेला वजन बदल हा अखंडित स्वरूपाचा असतो. म्हणजेच, पृथ्वीच्या कुठल्याही (साधारणतः) २०,००० चौरस किलोमीटर क्षेत्रात, गर्भापासून ते वातावरण या मध्ये कुठेही हा बदल दडला जाऊ शकतो. पाणी सोडून इतरत्र वस्तू ज्यांमुळे ग्रेस उपग्रह प्रभावित होतील, (उदा. वातावरण अथवा 'ऍटमॉसस्फियर' मधील वस्तुमानातील बदल, भूकंपांमुळे झालेल्या जमिनीच्या वस्तुमानातील अचानक बदल, इत्यादी) त्यांचा प्रभाव मॉडेल्स (फॅशन मॉडेल्स नव्हे, तर गणिती मॉडेल्स) च्या सहाय्याने वेगळा केल्यानंतर, उरलेला 'सिग्नल' हा पाण्याचा हालचालींमुळेच आहे असे गृहित जाऊ शकते.  

आता, जमिनीवर पाण्याचा वस्तुमान बदल म्हणजेच पाण्यातील साठ्यातील बदल हा असतो. एक सोप्पे उदाहरण म्हणून, एका बादलीची कल्पना करा. बादलीत नळाने पाणी सोडले तर बादलीतील पाण्याचा साठा वाढेल. पण जर बादलीला एखादे छिद्र असेल, तर त्या प्रमाणात तो साठा कमी होईल. जर छिद्रातून निचरा होऊन देखील पाण्याच्या स्रोतामुळे (नळाद्वारे) जास्त पाणी बादलीत भरले, तर बादलीतील पाण्याचा साठा तर वाढेलच, पण मर्यादित प्रमाणातच, कारणका नंतर बादली वाहायला लागेल. जमिनीवर ही असच घडते. पावसामुळे जमिनीवर पडलेल्या पाण्याचा मातीमधून थोड्याफार प्रमाणात (इथे मातीचे प्रकार, त्या खालील असलेल्या सच्छिद्र दगडांचे प्रकार इत्यादींचा फार प्रभाव पडतो) निचरा होतो. मातीमधून खाली गेलेले पाणी भूजलास (अथवा 'ग्राऊंडवॉटर') मिळते. आणि परिस्थिती अनुसरून अगदी हजारो वर्षेही तेथे साठले जाऊ शकते. पाऊस खूपच पडला तर जमीन संतृप्त होऊन उरलेले अतिरिक्त पाणी हे नद्यांच्या रूपाने सागरास मिळते. ही सर्व अगदी सामान्य विधाने झाली. बऱ्याच वेळी जर पावसाची तीव्रता खूप जास्त असेल तर पाणी जमिनीत निचरा न होता बरेचसे वाहूनही जाऊ शकते. तसेच, बऱ्याच वेळा नदीचे पाणी हे पावसापासून न येता भूजलापासून येते (याला 'बेस फ्लो' असे म्हणतात). असो. जमिनीतील पाण्याच्या साठ्यात बाष्पीभवनामुळे ही बदल होतो. या सर्वांची बेरीज वजाबाकी केली तर पाण्याच्या साठ्यात किती बदल झाला हे कळू शकते. एकूण पाण्याचा साठा हा मातीतील ओलावा (अथवा 'सॉईल मॉइस्चर'), भूजल, जमिनीवरचे (तलाव, धरणे, नद्या, पाणथळ जागा अथवा 'वेटलँड्स' इत्यादी) पाणी, बर्फात साठलेले पाणी (किती, ते बर्फाच्या घनते वर अवलंबून असते. याला 'स्नो वॉटर इक्विव्हॅलेंट' असे म्हणतात), आणि झाडांच्या घनदाट पालवीच्या चादरीत साठलेले पाणी (अथवा 'कॅनोपी स्टोरेज') यांमध्ये विभागले जाऊ शकते. ग्रेस या विभागांबद्दल स्वतंत्र अशी माहिती देत नाही. तरी एकंदर पाणी साठा (अथवा 'टोटल वॉटर स्टोरेज') हे नक्की किती पाणी कमी-जास्त झाले हे सांगण्यास सहाय्यक ठरतो. समुद्रातील पाणी प्रवाह (अथवा 'ओशन करंटस') देखील प्रचंड प्रमाणात पाणी हलवतात. जागतिक तापमान वाढीमुळे ग्रीनलंड आणि अंटार्क्टिका मधल्या बर्फात प्रचंड प्रमाणात घट होते आणि त्याचा परिणाम त्यांच्या वजनात होतो. ग्रेस एकूण वजन किती आहे हे न सांगता, त्या मध्ये मासिक बदल किती झाला हे सांगते. थोडक्यात, ग्रेसला तुम्ही एक असा वजनकाटा म्हणून समजू शकता जो तुमचे एकूण वजन किती आहे हे नाही सांगू शकणार, पण मागील महिन्याच्या तुलनेत या महिन्यात तुमच्या वजनात किती बदल झाला हे सांगू शकेल. 

गेली १५ वर्षे शास्त्रज्ञांनी या माहितीचा खूप कल्पकतेने उपयोग केला. उदाहरणार्थ शेतीसाठी असंतुलित वापरामुळे उत्तर भारतातील भूजल साठा कसा प्रचंड प्रमाणात कमी होतोय हे ग्रेस मुळे पाहता आले. तसेच समुद्रांमधील पाणी प्रभावांमधील बदल हे ही ग्रेस मुळे दिसले. ग्रीनलंड आणि अंटार्क्टिका मधल्या बर्फात प्रचंड प्रमाणात पाणी साठा आहे जो वितळल्यास समुद्रपातळीत प्रचंड प्रमाणात वाढ होऊ शकते आणि किनारपट्टीवरील शहरे तसेच असंख्य छोटी बेटे अडचणीत येऊ शकतात. या बाबतीत ग्रेस ने दिलेली माहिती खरच अभूतपूर्व आहे. ग्रेस मुळे पृथ्वीबद्दल वाढलेल्या आपल्या समजीचे पुनरावलोकन करण्यासाठी एक स्वतंत्र लेखच लिहावा लागेल.

तुम्हाला ग्रेस ने दिलेल्या एकूण पाणी साठवणीतले बदल स्वतःहून बघायचे असतील, तर ते http://ccar.colorado.edu/grace/gsfc.html या वेबसाईट वर जाऊन सहज पाहू शकाल. मला ही वेबसाईट विशेष आवडते कारणका  डाव्या बाजुच्या मेनु मधून प्रदेश ('रीजन'), मोठ्या नद्यांचे पाणलोट ('बेसिन') निवडता येतात आणि हवेत्या क्षेत्रावर माउस ने क्लिक करून त्या क्षेत्रातल्या पाणी साठ्यातील बदल हे ग्राफ च्या सहाय्याने पाहता येतात. शिवाय माहिती ही 'टेक्स्ट फाइल' च्या स्वरूपात 'डाउनलोड' देखील करता येते. पृथ्वीसंदर्भातील प्रत्येक 'डेटा' (माहिती) हा अशा स्वरूपात इंटरनेटच्या सहाय्याने बसल्या-बसल्या आणि फुकट पाहता आला पाहिजे असे मला फार वाटते.

जर तुम्ही वरील वेबसाईट पाहिली तर तुम्हाला एक गोष्ट उठून दिसेल. फक्त मोठ-मोठ्या नद्याच ग्रेस ला दिसू शकतात. इथे मला असे आवर्जून सांगावेसे वाटतेकी उपग्रह हे काही रामबाण उपाय नाहीत, आणि छोट्या क्षेत्रांतील माहिती ही तिथे जाऊनच घेतली पाहिजे. परंतु जागतिक / प्रादेशिक उलाढालीचा आपल्या छोट्या पाणलोटांवर देखील परिणाम होतो, आणि म्हणून सर्व उपलब्ध माहितीचा वापर करूनच पाणी स्रोतांच्या शाश्वत विकासाचे निर्णय घेतले जावेत. 

ग्रेसचे उपग्रह आता म्हातारे झालेत. त्यांच्या बॅटरीज खराब होत आहेत. त्या कधीही बंद पडू शकतात. परंतु २०१७-२०१८ मध्ये 'ग्रेस फॉलो ऑन' मिशन चे नवीन 'टॉम आणि जेरी' आवकाशात झेपावतील आणि ग्रेस चा वारसा चालू ठेवतील. 

ऋषिकेश अरविंद चंदनपूरकर
कोलोरॅडो सेंटर फॉर ऍस्ट्रोडायनॅमिक्स रिसर्च