Den 17 mars, 2002, tysk-USA satellitduon GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) lanserades för att kartlägga det globala gravitationsfältet med oöverträffad precision. Uppdraget varade i 15 år, mer än tre gånger så lång tid som förväntat. När de två satelliterna brann upp i jordens atmosfär i slutet av 2017 och början av 2018, de hade registrerat jordens gravitationsfält och dess förändringar under mer än 160 månader.

Denna så kallade tidsupplösta satellitgravimetri gör det möjligt, bland annat, att övervaka det terrestra vattnets kretslopp, massbalansen av inlandsisar och glaciärer, och havsnivåförändringar, och därmed bättre förstå mekanismerna i det globala klimatsystemet, exakt bedöma viktiga klimattrender, och att förutse möjliga konsekvenser.

En recension i tidningen Naturens klimatförändringar presenterar nu höjdpunkter inom klimatforskningsområdet baserat på GRACE-observationer.

Inlandsisar och glaciärer

GRACE producerade den första någonsin direkta mätningen av förlust av ismassa från isark och glaciärer. Tidigare, det hade bara varit möjligt att uppskatta massorna och deras förändringar med indirekta metoder. Inom de två första åren av uppdraget, det var redan möjligt att observera tydliga signaler om förlust av ismassa på Grönland och Antarktis. De uppmätta data visade att 60 procent av den totala massförlusten beror på ökad smältproduktion som svar på trenderna för den arktiska uppvärmningen, medan 40 procent beror på en ökning av isflödet i havet. Enligt GRACE-data, mellan april 2002 och juni 2017, Grönland förlorade cirka 260 miljarder ton is per år, Antarktis cirka 140 miljarder ton. Förutom långsiktiga trender, gravitationsfältsdata ger också bevis på de direkta effekterna av globala klimatfenomen som El Niño på inlandsisar och glaciärer över hela världen.

Terrestra vattenlagring

Bland de mest effektfulla bidragen från GRACE-uppdraget har varit avslöjandet av jordens föränderliga sötvattenlandskap, som har stora konsekvenser för vatten, mat och mänsklig säkerhet. Globala uppskattningar av GRACE-trender tyder på ökad vattenlagring på höga och låga breddgrader, med minskad lagring på mellanbreddgrader. Även om GRACE-rekordet är relativt kort, denna observation av storskaliga förändringar i den globala hydrologiska cykeln har varit en viktig tidig bekräftelse på de förändringar som förutspåtts av klimatmodeller under 2000-talet.

Att analysera GRACE-data hjälpte också forskare att bedöma havsnivån mer exakt, eftersom lagring av sötvatten på land är kopplad till havsnivån genom olika mekanismer. Analyser av GRACE-data har möjliggjort de första uppskattningarna någonsin av förändringar i grundvattenlagring från rymden. De bekräftar alltför höga hastigheter av grundvattenutarmning från enskilda akviferer runt om i världen. Data om landvattenlagring har också bidragit till validering och kalibrering av olika klimatmodeller.

Havsnivåförändring och havsdynamik

Inom detta århundrade, havsnivåhöjningen kan accelerera till 10 millimeter per år, en takt utan motstycke under de senaste 5000 åren, och en djupgående och direkt konsekvens av ett värmande klimat. Havsnivåmätningar med hög precision har varit tillgängliga sedan början av 1990-talet, men de visar bara den absoluta havsnivåförändringen. Under de 25 åren mellan 1993 och 2017, havsnivån steg med i genomsnitt 3,1 millimeter per år.

För att ta reda på hur termisk expansion, smältande is och det kontinentala inflödet av vatten påverkar vart och ett av havsnivån, det är nödvändigt att studera vattnets massfördelning. GRACE har visat att 2,5 millimeter av den genomsnittliga årliga havsnivåhöjningen på 3,8 millimeter mellan 2005 och 2017 orsakas av inflödet av vatten eller annan massa och 1,1 millimeter av den termiska expansionen av vatten. Att lösa denna sammansättning är viktigt för havsnivåprojektioner.

GRACE-data ger en begränsning för förändringar i havets massa, och därmed indirekt på jordens energiobalans, som är ett grundläggande globalt mått på klimatförändringar. GRACE har visat att det mesta av uppvärmningen som frigörs av temperaturhöjningen sker i de övre 2000 meter av haven, som är de viktigaste energisänkorna för klimatförändringarna. GRACE bidrar också till en bättre förståelse av dynamiken och påverkan av havsströmmar, särskilt för Ishavet.

Tillämpningar för klimattjänster

Gravitationsfältsdata från GRACE-satelliterna har förbättrat USA:s torkamonitor. Detta hjälper amerikanska myndigheter att reagera på torka i rätt tid och förnuftigt. Med European Gravity Service for Improved Emergency Management (EGSIEM), Europeiska unionen har marknadsfört en tjänst för att identifiera regionala översvämningsrisker så tidigt som möjligt. Mellan april och juni 2017, testkörningar med historiska översvämningsdata ägde rum, som visar att våthetsindikatorerna för stora flodbassänger fastställda av GRACE kan förbättra prognoserna för Mississippi eller Donau, till exempel. Aktuella resultat visar också att GRACE-data kan användas för att förutsäga risken för säsongsbetonade skogsbränder mer exakt.

GFZ drev GRACE-uppdraget tillsammans med German Aerospace Center (DLR), och på den amerikanska sidan med NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL). I maj 2018, intressenterna startade uppföljningsuppdraget, GRACE Uppföljning (GRACE-FO). De första månatliga gravitationsfältskartorna bör vara tillgängliga för internationella användare i slutet av juli i år. Oväntade svårigheter försenade inlämningen av produkterna. "Anledningen var felet i en kontrollenhet på den andra GRACE-FO-satelliten, " förklarar Frank Flechtner på GFZ. "Detta gjorde det nödvändigt att byta till den ersättningsenhet som installerades för sådana scenarier. Men nu, med GRACE-FO, en mer än två decennier lång registrering av massförändringarna i systemet Jorden är inom räckhåll."

Bakgrund:Vattnets vikt

Ju större massa ett föremål är, desto större är dess gravitationsattraktion. Till exempel, Alperna utövar en högre gravitationskraft än det nordtyska låglandet. När satelliter kretsar runt jorden och flyger över ett stort område, de accelererar minimalt när de närmar sig den och saktar ner när de flyger iväg.

En liten del av gravitationen som kommer från jorden är baserad på vatten på eller nära ytan i oceaner, floder, sjöar, glaciärer och underjordiska. Detta vatten reagerar på årstider, stormar, torka eller andra väderpåverkan. GRACE utnyttjade massans förskjutning av vatten genom att registrera dess effekt på satellitduon som kretsade runt jorden 220 kilometer i rad. Mikrovågor användes för att mäta deras avstånd. Detta avstånd förändrades över tiden på grund av massförskjutningen på jorden. Från datan, forskarna beräknade sedan månatliga kartor över de regionala förändringarna i jordens gravitationskraft och orsaksförändringarna i massorna på ytan.