När du hör nyheter om isförlust från Grönland eller Antarktis, ett akvifer i Kalifornien som håller på att bli utarmat, eller en ny förklaring till en vingling i jordens rotation, du kanske inte inser att alla dessa fynd kan förlita sig på data från ett enda uppdrag:U.S.T. German Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE). GRACE-data, samlades in från 2002 till 2017 medan uppdraget var aktivt, används fortfarande för att förbättra vår förståelse av vatten i rörelse och dess ibland överraskande effekter på vår planet. En ny uppsats sammanför nyligen beräknade och befintliga sammanfattningar av de viktigaste resultaten som GRACE har genererat, visa upp bredden av ämnen som uppdraget har belyst genom åren.

"Vatten är ett viktigt tecken på planetens hälsa, sa Michael Watkins, den ursprungliga GRACE-projektets forskare och nu chef för NASA:s Jet Propulsion Laboratory (JPL) i Pasadena, Kalifornien. "Men vatten är svårt att spåra i vissa former - till exempel, polaris eller vatten lagrat djupt under jorden. Vi måste förstå dessa komponenter lika väl som vi förstår vatten i dess mer lättbedömbara former runt om i världen. Det är vad GRACE har gjort det möjligt för oss att göra." Forskare har använt denna ökade kunskap om hur vatten rör sig och lagras på jorden för att förstå det globala klimatet och hur det förändras.

Byron Tapley, GRACE:s ursprungliga huvudutredare och den motiverande kraften bakom uppdraget (nu pensionerad från University of Texas i Austin), är huvudförfattare till den nya tidningen. Med titeln "Contributions of GRACE to Understanding Climate Change" och publicerad i tidskriften Naturens klimatförändringar , den sammanfattar de senaste resultaten och nya insikter som GRACE har möjliggjort fram till idag. Recensionen, som täcker aspekter av GRACE-mättekniken, vetenskapliga genombrott och relevansen för tillämpningar av klimattjänster, skrevs av ett framstående team av GRACE-experter. De flesta författare bidrog till GRACE-uppdraget redan innan det lanserades och har gjort banbrytande arbete med dess data.

Hur gravitationsmätning avslöjar rörligt vatten

GRACE och dess efterträdare, GRACE uppföljning, designades för att mäta förändringar i gravitationskraften som är ett resultat av förändringar i massa på jorden. Mer än 99 procent av jordens genomsnittliga gravitationskraft förändras inte från en månad till en annan. Det beror på att det kommer från massan av den fasta jorden själv – dess yta och inre – och som sällan rör sig, eller rör sig mycket långsamt. Vatten, å andra sidan, rör sig kontinuerligt nästan överallt:snö faller, havsströmmar flyter, is smälter och så vidare. När de dubbla GRACE-satelliterna kretsade runt jorden, den ena följer den andra tätt, förändringarna i massa under ändrade avståndet mellan de två satelliterna mycket något. Registreringen av dessa förändringar analyserades för att skapa månatliga globala kartor över förändringar och omfördelning av jordens massa nära ytan.

"Det var en utmaning att skriva en representativ åttasidig recension av GRACE-prestationer, som har dokumenterats i över 3, 000 peer-reviewed publikationer, sa Ingo Sasgen, GRACE-forskare vid Alfred Wegener Institutes Helmholtz Center for Polar and Marine Research i Bremerhaven, Tyskland, som koordinerade den nya tidningen. "Vi ville förmedla hur unikt GRACE-uppdraget verkligen var och hur viktigt dess data är för att vi ska förstå hur klimatförändringar påverkar vatten som lagras i havet, isen och på kontinenterna." Här är några exempel.

Grönland och Antarktis. Tidningen uppdaterar tidigare studier för att rapportera att under GRACE-uppdragets livstid, Grönland förlorade 258 gigaton is per år, med beloppet som varierar med mer än 50 % från år till år, till stor del som svar på temperaturer under sommarmånaderna. "Arktis värms upp ungefär dubbelt så snabbt som det globala genomsnittet, med förlust av ismassa och höjning av havsnivån är stora konsekvenser, ", sa Sasgen. "Med GRACE kunde vi budgetera varje månad massan av glaciärer och inlandsisar runt om i världen. Dessa data har dramatiskt förbättrat vår förståelse av processerna i dessa avlägsna områden och deras känslighet för klimatförändringar." Antarktis förlorade i genomsnitt 137 gigaton per år, men den årliga förlusten varierade med mer än 150 %, främst på grund av fluktuationer i snöfallet. GRACE fann också att dessa stora fluktuationer oftast förekommer i Västantarktis och korrelerar väl med El Niño-händelser, som påverkar hur mycket nederbörd som når kontinenten.

Förändringar av vattenlagring på land. GRACE har avslöjat att mindre vatten nu lagras naturligt i landområden på mitten av latitud (det vill säga, dessa regioner får mindre nederbörd och blir torrare) och mer lagras i hög- och låglatitudregioner (det vill säga, dessa regioner blir blötare). Klimatmodeller har länge förutspått att globala klimatförändringar kommer att åstadkomma denna trend, så observationerna ger en viktig tidig bekräftelse av modellerna.

Höjning av havsnivån. Havsnivån steg mer än 1,5 tum (3,7 centimeter) per decennium i genomsnitt över världen från 2005 till 2016. Det finns två huvudorsaker till denna förändring:avrinning från smältande istäcken och glaciärer, och expansion av själva havsvattnet när det värms upp. Förutom att övervaka förändringar i inlandsisar och glaciärer, GRACE kunde upptäcka hur mycket havsnivåhöjningen berodde på att vatten som tidigare var låst i is på land lades till havet. Data visar att denna källa ökade under hela uppdraget och är för närvarande ansvarig för ungefär två tredjedelar av havsnivåhöjningen.

"GRACE gav ett paradigmskifte i vår syn på hur haven, atmosfären och markytans komponenter samverkar, " sa Tapley. "Som ett exempel, GRACE visade att vattnet som lämnar polarisarna är lika med ökningen av vattenmassan i haven, ger bekräftelse på att denna viktiga mätning används för att bedöma lagring av havsvärme."

Förutom dess värde för forskning, Tapley påpekade, "GRACE är också en viktig tillgång för att bedöma tillståndet för sötvatten och hjälpa till att hantera det." För att förbättra översvämningsprognoserna för Europa, European Gravity Service for Improved Emergency Management använder GRACE-data för att titta på markmättnadsnivåer veckor före översvämningssäsongen. Forskare har funnit att kunskap om ovanligt höga nivåer av underjordisk vattenlagring kan öka ledtiden för varningar om toppöversvämningar i floden med upp till sex veckor. I situationer där sötvatten är ont om, GRACE-data stöder U.S. Drought Monitor, som spårar torka över hela USA och dess territorier och används i stor utsträckning av chefer på federal och statlig nivå

GRACE:s värde för det vetenskapliga samfundet erkändes under dess första två verksamhetsår, och samhället rekommenderade starkt att uppdraget skulle fortsätta utan större dataluckor. För att åstadkomma det, NASA och det tyska forskningscentret för geovetenskaper (GFZ) lanserade en efterträdare, GRACE uppföljning, i maj 2018. GRACE-FO har slutfört alla sina utcheckningsfaser och kommer snart att börja släppa månatliga kartor över massförändringar på jorden. "GRACE-FO tillåter oss att fortsätta det revolutionära arvet från GRACE, "Sade Watkins. "Det kommer säkerligen att finnas fler oväntade och innovativa resultat framöver."

GRACE implementerades som ett gemensamt uppdrag av NASA och German Aerospace Center. GRACE var det första uppdraget som leds av huvudutredare som genomfördes under Earth System Pathfinder-programmet. Implementeringsteamet inkluderade University of Texas i Austin, JPL och GFZ. JPL skötte implementeringen och verksamheten för NASA:s Science Mission Directorate i Washington. Caltech i Pasadena hanterar JPL för NASA.