"Revolutionär" är ett ord man ofta hör när folk pratar om GRACE -uppdraget. Sedan tvilling -satelliterna från NASA/German Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) lanserades den 17 mars, 2002, deras data har förändrat forskarnas syn på hur vatten rör sig och lagras runt planeten. "GRACE möjliggjorde spårning av vattnets rörelse via dess massa, ett fält som inte var tillgängligt för spaceborne fjärranalys och som öppnade nya alternativ för att övervaka och kvantifiera klimatförändringar, "sa Reinhard Hüttl, styrelsens ordförande och vetenskaplig verkställande direktör för Helmholtz Center Potsdam - GFZ German Research Center for Geosciences.

Som många andra revolutioner, NÅD började med en radikal idé. Huvudutredaren Byron Tapley (University of Texas Center for Space Research (UTCSR) i Austin) sa:"Den helt nya idén om GRACE var uppfattningen att mätning och spårning av massa ger dig ett sätt att undersöka jordsystemet." Att mäta förändringar i massa har varit en nyckel för att upptäcka hur vatten och den fasta jorden förändras på platser människor inte kan gå och inte kan se.

Vikten av vatten

Ju större objektets massa, desto större är dess dragkraft. Till exempel, Alpes utövar mer dragkraft än den platta nordtyska slätten. Människor märker inte den lilla skillnaden, men satelliter gör det. Medan den kretsar kring jorden, satelliter accelererar mycket lätt när de närmar sig en massiv funktion och saktar ner när de går bort.

Den stora majoriteten av jordens dragkraft beror på massan av jordens inre. En liten del, dock, beror på vatten på eller nära jordens yta. Havet, floder, glaciärer och underjordiskt vatten förändras mycket snabbare än jordens inre gör, reagerar på förändrade årstider och stormar, torka och andra väder- och klimateffekter. GRACE växte från erkännandet att ett specialdesignat uppdrag faktiskt kunde observera dessa förändringar från rymden och avslöja de dolda hemligheterna i vattencykeln.

GRACE mäter förändringar i massa genom deras effekter på tvilling -satelliter som kretsar den ena bakom varandra med cirka 220 kilometers mellanrum. Rymdfarkosten strålar ständigt mikrovågspulser mot varandra och tidsbestämmer ankomst av återkommande signaler, vilket översätter till avståndet mellan tvilling -satelliterna. Förändringar i gravitationstrycket förändrar avståndet mycket något - med så lite som några mikrons bredd, det är, en bråkdel av diametern på ett människohår. GPS håller reda på var rymdfarkosten är i förhållande till jordens yta, och inbyggda accelerometrar registrerar krafter på andra rymdfarkoster än gravitationen, såsom luftmotstånd och solstrålning. Forskare bearbetar alla dessa data för att ta fram månatliga kartor över de regionala variationerna i den globala tyngdkraften och motsvarande ytmassvariationer.

"När NASA valde detta komplex, högprecisionsuppdrag för lansering under sitt Earth System Science Pathfinder-program och jag gick in i GRACE-projektet i slutet av förra seklet som Tysklands GRACE-projektledare, Jag trodde att det kanske är lite osannolikt att detta någonsin skulle kunna fungera och någonsin kommer att producera en så otroligt lång tidsserie med månatliga kartor över globala masstransporter, "minns Frank Flechtner (GFZ), dagens medhuvudutredare och efterträdare av original Co-PI och tidigare chef för GFZ:s avdelning "Geodesy" Christoph Reigber.

Flechtner krediterar uppdragsframgången till ett nära och mycket smidigt USA/tyskt samarbete mellan NASA, UTCSR, tyska Aerospace Center (DLR), Airbus Defense and Space i Friedrichshafen och GFZ. "Det är som om vi är en familj på båda sidor av Atlanten".

GRACE -satelliterna byggdes i Tyskland på Airbus D&S under kontrakt av NASA:s Jet Propulsion Laboratory (JPL), Pasadena. Missionsoperationer utförs vid DLR:s tyska rymdoperationscenter (GSOC) i Oberpfaffenhofen och DLR skaffade en rysk "Rockot" som skjutningsfordon. GFZ är en del av GRACE Science Data System med partners på JPL och UTCSR och bidrar till uppdrag via sin egen satellitmottagningsstation i Ny-Ålesund, Spitzbergen, och tillhandahålla biträdande uppdragschef. Dagens uppdragsfinansiering finansieras gemensamt av GFZ, DLR och ESA:s tredjepartsprogram.

Vad har GRACE sett?

Under GRACEs 15 års verksamhet, forskare från institutioner över hela världen har utvecklat innovativa tekniker för att använda datauppsättningen och för att kombinera den med andra observationer och modeller för nya insikter i jordsystemet. Här är några höjdpunkter.

Grundvatten. Vatten som lagras i jord och akviferer under jordens yta mäts mycket glest över hela världen. Hydrolog Matt Rodell från NASA:s Goddard Space Flight Center, Grönt bälte, Maryland, forskade i GRACE:s hydrologiska användningsområden. Rodell sa att ingen gissade före lanseringen att GRACE skulle avslöja okänd utarmning av grundvatten, men under det senaste decenniet, JPL:s Jay Famiglietti, Rodell och andra forskare har hittat fler och fler platser där människor pumpar ut grundvatten snabbare än det fylls på. År 2015, Famiglietti och kollegor publicerade en omfattande undersökning som visar att en tredjedel av jordens största grundvattenbassänger håller på att tömmas snabbt.

Torr jord kan öka risken för torka eller öka längden på en torka. Rodell och hans team tillhandahåller GRACE -data om djup jordfuktighet och grundvatten till U.S.Torkemonitor varje vecka, med hjälp av en hydrologimodell för att beräkna hur fukten förändras under hela månaden mellan en karta och nästa.

Översvämningsprognossystem behöver nästan realtidsinformation (NRT) för att uppskatta den troliga genereringen och utvecklingen av översvämningshändelsen när det gäller flodutsläpp och översvämningssteg med typiska ledtider på några dagar för större avrinningsområden. EU-finansierad European Gravity Service for Improved Emergency Management (EGSIEM) har utvecklat sådana dagliga NRT-tyngdkraftsprodukter och motsvarande översvämningsindikatorer som ska användas inom DLR:s centrum för satellitbaserad krisinformation i en operativ testkörning med start den 1 april.

Inlandsisar och glaciärer. Antarktis är, helt klart, det värsta stället i världen att samla in data, och Grönland är inte långt efter. Ändå måste vi veta hur snabbt dessa isar smälter för att förstå hastigheten och variationerna av havsnivåhöjningar runt om i världen. Forskare som studerade kryosfären var bland de första som började arbeta med GRACE -data för att extrahera den information de behövde. Isförluster från Grönland och Antarktis var dramatiskt större än tidigare beräknat med hjälp av uppskattningar av den förändrade höjden på isarken och andra typer av data. Sedan GRACE lanserades, dess mätningar visar att Grönland i genomsnitt har tappat cirka 280 gigaton is per år, och Antarktis lite under 120 gigaton per år. GFZ:s forskare Ingo Sasgen (nu vid Alfred-Wegener-institutet i Bremerhaven) och Henryk Dobslaw där de dessutom kan relatera årliga variationer i snöfall och därmed massansamling på Antarktishalvön som övervakas av GRACE till styrkan i ett atmosfäriskt lågtryckssystem ligger över Amundsenhavet. Eftersom själva lågtryckssystemet är särskilt starkt under tropiska La Nina -förhållanden, GRACE -data tillät för första gången att kvantifiera effektiviteten av en atmosfärisk telekopplingsprocess som länkar det tropiska klimatet även till mycket avlägsna och ganska isolerade regioner som Antarktis. Det finns indikationer på att båda smälthastigheterna ökar.

Men även för inre glaciärer, GRACE ger storskaliga bevis för den snabba förlusten av ismassa i många bergsområden världen över, riskerar den långsiktiga vattentillförseln i sina framländer. För Centralasien, en internationell forskargrupp ledd av GFZ -forskarna Daniel Farinotti och Andreas Güntner uppskattade från GRACE -data att Tien Shan för närvarande tappar is i en takt som är ungefär dubbelt så hög som den årliga vattenförbrukningen i hela Tyskland. Genom att kombinera detta med glaciologisk modellering, de uppskattar att hälften av den totala glaciärisvolymen som finns i Tien Shan idag kan gå förlorad på 2050 -talet. Se pressmeddelandet på engelska här.

Ocean Dynamics. Havsnivån stiger när isen smälter och när havsvattnet värms och expanderar. Forskare har en mycket exakt, kontinuerlig mätning av havsnivån över hela världen från 1992 med NASA-franska Topex-Poseidon-uppdraget och fortsätter genom Jason-serien. Höjdmätarens havsnivåmätningar, dock, se bara den fulla effekten av havshöjdsförändringar på grund av båda, havstemperaturen och tillsatt vatten genom issmältning och landavrinning. För att få en fördjupad bild av vilka processer som ligger bakom dessa förändringar, forskare måste titta på orsakerna:blir havet huvudsakligen varmare eller tillförs mer vatten till haven? Med NÅD, vi kan skilja mellan omfördelning av vattenmassa och temperaturförändringar. Inga Bergmann från GFZ visade att GRACE kan övervaka tidsvariationerna för vattenmassatransporter i den antarktiska cirkumpolära strömmen till jämna delmånadersperioder, vilket ger en mycket bättre storskalig bild av dynamiken i den starkaste oceaniska strömmen på jorden än tidigare tillgänglig från oceanografiska in situ-data.

Fast jord förändras. Den viskösa manteln under jordskorpan rör sig också så lite som svar på massförändringar från vatten nära ytan. GRACE har en community av användare som beräknar dessa skift för sin forskning. JPL -forskare Surendra Adhikari och Erik Ivins använde nyligen GRACE -data för att beräkna hur inte bara förlust av isark utan grundvattentömning faktiskt har förändrat jordens rotation när systemet anpassar sig till dessa massrörelser.

GRACE:s planerare hade inte mycket hopp om att uppdragets mätning skulle kunna användas för att identifiera de plötsliga förändringar i massa som är förknippade med jordbävningar på grund av skillnaden i skala:jordbävningar är plötsliga och lokala, GRACE:s månatliga kartor är genomsnittliga över ett område dubbelt så stort som Bayern och en hel månadstid. Dock, genom att ta fram nya databehandlings- och modelleringstekniker, forskare har hittat ett sätt att isolera jordbävningseffekterna. "Vi kan mäta det momentana massskiftet i en jordbävning, och vi har funnit att det finns en mycket mätbar avslappning som pågår i en eller två månader efter jordbävningen, "Sade Tapley. Dessa mätningar ger oöverträffade insikter om vad som händer långt under jordens yta.

Atmosfäriskt ljud. Det sekundära vetenskapliga målet med GRACE -uppdraget är att erhålla cirka 150 mycket exakta globalt fördelade vertikala temperatur- och luftfuktighetsprofiler i atmosfären per dag med hjälp av GPS -radio ockultation (RO) teknik. "Dessa mätningar är av extremt intresse för vädertjänster och klimatförändringsrelaterade studier. Därför tillhandahåller vi dessa profiler dygnet runt, högst två timmar efter mätningen ombord på satelliterna till de världsledande vädercentralerna, t.ex., ECMWF (European Center for Medium-Range Weather Forecasts), MetOffice, MeteoFrankrike, NCEP (National Centers for Environmental Prediction) eller DWD (Deutscher Wetterdienst) för att förbättra sina globala prognoser. "Säger Jens Wickert, GFZ:s RO -chef.

Framtiden

Vid 15 år, GRACE har varat tre gånger så länge som ursprungligen planerat. Projektledare har gjort allt för att förlänga sitt liv, men rymdfarkosten kommer snart att ta slut bränsle - troligen i sommar. NASA och GFZ har arbetat sedan 2012 med ett andra GRACE-uppdrag som heter GRACE Follow-On, med Tyskland som åter skaffar lanseringsfordonet, missionsverksamhet och tvilling -satelliterna som byggdes igen på Airbus D&S i Tyskland.

GRACE-FO är planerad att lanseras mellan december 2017 och februari 2018. Det nya uppdraget fokuserar på att fortsätta GRACE:s framgångsrika datarekord. De nya satelliterna använder liknande hårdvara som GRACE och kommer också att bära en teknikdemonstrator som använder en ny laser -interferometer (LRI) för att spåra separationsavståndet mellan satelliterna. LRI är en gemensam amerikansk/tysk utveckling och har potential att producera en ännu mer exakt intersatellitmätning och resulterande gravitationskarta.

Med GRACE-FO för att fortsätta det revolutionära arvet, det kommer säkert att finnas mer innovativa resultat framöver. Viktigast, fastän, forskare kan fortsätta att övervaka förändringar i vår värdefulla globala vattenresurs.