Ett par nya rymdfarkoster som kommer att observera vår planets ständigt föränderliga vattenkretslopp, inlandsisar och skorpa håller på att förberedas för en lansering i Kalifornien tidigast på lördag, 19 maj. Uppdraget Gravity Recovery and Climate Experiment Follow-On (GRACE-FO), ett partnerskap mellan NASA och det tyska forskningscentret för geovetenskap (GFZ), kommer att ta över där det första GRACE-uppdraget slutade när det avslutade sitt 15-åriga uppdrag 2017.

GRACE-FO kommer att fortsätta att övervaka månatliga förändringar i fördelningen av massa inom och mellan jordens atmosfär, hav, land och inlandsisar, såväl som inom den fasta jorden själv. Dessa data kommer att ge unika insikter om jordens föränderliga klimat, Jordsystemets processer och till och med effekterna av vissa mänskliga aktiviteter, och kommer att ha långtgående fördelar för samhället, som att förbättra vattenresursförvaltningen.

"Vatten är avgörande för alla aspekter av livet på jorden - för hälsan, för jordbruket, för att behålla vårt sätt att leva, sa Michael Watkins, GRACE-FO vetenskapsledare och chef för NASA:s Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Kalifornien. "Du kan inte hantera det bra förrän du kan mäta det. GRACE-FO ger ett unikt sätt att mäta vatten i många av dess faser, så att vi kan hantera vattenresurserna mer effektivt."

Som GRACE, GRACE-FO kommer att använda en innovativ teknik för att observera något som inte kan ses direkt från rymden. Den använder vattnets vikt för att mäta dess rörelse—även vatten gömt långt under jordens yta. GRACE-FO kommer att göra detta genom att mycket exakt mäta förändringarna i formen av jordens gravitationsfält som orsakas av rörelsen av enorma mängder vatten, is och fast jord.

"När vattnet är under jorden, det är omöjligt att direkt observera från rymden. Det finns ingen bild du kan ta eller radar du kan studsa från ytan för att mäta förändringar i det djupa vattnet, " sa Watkins. "Men den har massa, och GRACE-FO är nästan det enda sättet vi har att observera det i stor skala. Liknande, att spåra förändringar i den totala massan av polarisarna är också mycket svårt, men GRACE-FO sätter i huvudsak en "skala" under dem för att spåra deras förändringar över tid."

Ett arv av upptäckter

GRACE-FO kommer att förlänga GRACE-dataposten ytterligare fem år och utöka sitt arv av vetenskapliga framgångar. GRACE skildrade den pågående förlusten av massa från Grönlands och Antarktis inlandsisar och bergsglaciärer. Den mängden data belyser nyckelprocesserna, kortsiktig variation och långsiktiga trender som påverkar havsnivåhöjningen, hjälpa till att förbättra havsnivåprognoserna. Uppskattningarna av total vattenlagring på land härledda från GRACE-data, från grundvattenförändringar i djupa akviferer till förändringar i markfuktighet och ytvatten, ger vattenförvaltare nya verktyg för att mäta effekterna av torka och övervaka och förutsäga översvämningar.

GRACE-data har också använts för att sluta sig till förändringar i djupa havsströmmar, en drivkraft i jordens klimat. Dess atmosfärstemperaturprofildata, härledd från mätningar av hur signaler från konstellationen av GPS-satelliter böjdes när de färdades genom atmosfären och togs emot av antenner på GRACE-satelliterna, har bidragit till amerikanska och europeiska väderprognosprodukter. GRACE-data har till och med använts för att mäta förändringar inom den fasta jorden själv, inklusive jordskorpans svar på glaciärernas reträtt sedan den senaste istiden, och effekterna av stora jordbävningar.

Enligt Frank Webb, GRACE-FO projektforskare vid JPL, det nya uppdraget kommer att ge ovärderliga observationer av långsiktiga klimatrelaterade massförändringar.

"Det enda sättet att säkert veta om observerade fleråriga trender representerar långsiktiga förändringar i massbalansen är att förlänga längden på observationerna, " sa Webb.

En kretsande katt och mus

Liksom sina föregångare, de två identiska GRACE-FO-satelliterna kommer att fungera som ett enda instrument. Satelliterna kretsar runt jorden cirka 220 kilometer från varandra, på en initial höjd av cirka 305 miles (490 kilometer). Varje satellit skickar kontinuerligt mikrovågssignaler till den andra för att exakt mäta förändringar i avståndet mellan dem. När de flyger över ett enormt jordelement, såsom en bergskedja eller underjordisk akvifer, gravitationskraften från den egenskapen drar i satelliterna, ändra avståndet som skiljer dem åt. Genom att spåra förändringar i deras separationsavstånd med otrolig noggrannhet - till mindre än tjockleken på ett människohår - kan satelliterna kartlägga dessa regionala gravitationsförändringar.

En GPS-mottagare används för att spåra varje rymdfarkosts position i förhållande till jordens yta, och accelerometrar ombord registrerar icke-gravitationskrafter på rymdfarkosten, såsom luftmotstånd och solstrålning. Dessa data kombineras för att producera månatliga kartor över de regionala förändringarna i global gravitation och motsvarande massvariationer nära ytan, som främst återspeglar förändringar i fördelningen av vattenmassa i jordens atmosfär, hav, mark och inlandsisar.

Dessutom, GRACE-FO kommer att testa en experimentell laseravståndsinterferometer, ett instrument som kan öka precisionen för mätningar mellan de två rymdfarkosterna med en faktor 10 eller mer, för framtida uppdrag liknande GRACE. Interferometern, utvecklad av ett tyskt/amerikanskt instrumentteam, kommer att vara den första demonstrationen i rymden av laserinterferometri mellan satelliter.

"Laseravståndsinterferometern är ett utmärkt exempel på ett fantastiskt samarbete, sa Frank Flechtner, GFZ:s GRACE-FO projektledare. "Jag ser fram emot att analysera dessa innovativa inter-satelliter avståndsdata och deras inverkan på gravitationsfältsmodellering."

GRACE-FO kommer att skjutas upp i omloppsbana med fem Iridium NEXT-kommunikationssatelliter på en kommersiellt anskaffad SpaceX Falcon 9-raket från Vandenberg Air Force Base i Kalifornien. Denna unika "rideshare"-lansering kommer först att distribuera GRACE-FO, sedan kommer Falcon 9:s andra steg att fortsätta till en högre bana för att distribuera Iridium-satelliterna.