15 års NÅDE:Satellitmission flyver tre gange den planlagte tid

"Revolutionær" er et ord, man ofte hører, når folk taler om GRACE -missionen. Siden tvillingesatellitterne fra NASA/German Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) blev opsendt den 17. marts, 2002, deres data har ændret forskernes syn på, hvordan vand bevæger sig og opbevares rundt om på planeten. "GRACE gjorde det muligt at spore vandets bevægelse via dets masse, et felt, der ikke var tilgængeligt inden for spaceborne remote sensing, og som åbnede nye muligheder for at overvåge og kvantificere klimaændringer, sagde Reinhard Hüttl, bestyrelsesformanden og videnskabelig administrerende direktør for Helmholtz Center Potsdam - GFZ German Research Center for Geosciences.

Ligesom mange andre revolutioner, GRACE begyndte med en radikal idé. Hovedforsker Byron Tapley (University of Texas Center for Space Research (UTCSR) i Austin) sagde:"Den helt nye idé om GRACE var opfattelsen af, at måling og sporing af masse giver dig en måde at sondere Jordsystemet på." Måling af ændringer i masse har været en nøgle til at opdage, hvordan vand og den faste jord ændrer sig på steder, mennesker ikke kan komme og ikke kan se.

Vægten af ​​vand

Jo større en genstands masse, jo større dens tyngdekraft. For eksempel, Alpes udøver mere tyngdekraft end den flade nordtyske slette. Mennesker bemærker ikke den lille forskel, men det gør satellitter. Mens han kredser om Jorden, satellitter accelererer meget let, når de nærmer sig et massivt træk og sænker farten, når de bevæger sig væk.

Langt de fleste af Jordens tyngdekraftstrækninger skyldes massen af ​​Jordens indre. En lille del, imidlertid, skyldes vand på eller nær Jordens overflade. Havet, floder, gletsjere og underjordisk vand ændrer sig meget hurtigere end Jordens indre gør, reagere på skiftende årstider og storme, tørke og andre vejr- og klimaeffekter. GRACE voksede ud fra erkendelsen af, at en specialdesignet mission faktisk kunne observere disse ændringer fra rummet og afsløre vandkredsløbets skjulte hemmeligheder.

GRACE måler ændringer i masse gennem deres virkninger på tvillingesatellitter, der kredser om hinanden bagved omkring 220 kilometer fra hinanden. Rumfartøjerne sender konstant mikrobølgeimpulser mod hinanden og timer ankomsten af ​​returnerende signaler, hvilket oversættes til afstanden, der adskiller tvillingesatellitterne. Ændringer i tyngdekraften ændrer denne afstand meget lidt - med så lidt som et par mikrons bredde, det er, en brøkdel af diameteren af ​​et menneskehår. GPS holder styr på, hvor rumfartøjet er i forhold til Jordens overflade, og indbyggede accelerometre registrerer kræfter på andre rumfartøjer end tyngdekraften, såsom atmosfærisk træk og solstråling. Forskere behandler alle disse data for at producere månedlige kort over de regionale variationer i den globale tyngdekraft og de tilsvarende variationer i overflademassen.

"Da NASA valgte dette kompleks, mission med høj præcision til lancering under dets Earth System Science Pathfinder-program, og jeg gik ind i GRACE-projektet i slutningen af ​​forrige århundrede som Tysklands GRACE-projektleder, Jeg tænkte, at det måske er lidt usandsynligt, at dette nogensinde kunne fungere og nogensinde vil producere en så utrolig lang tidsserie af månedlige kort over global massetransport, "husker Frank Flechtner (GFZ), nutidens co-hovedforsker og efterfølger af original Co-PI og tidligere direktør for GFZs afdeling "Geodesy" Christoph Reigber.

Flechtner tilskriver missionssuccesen et tæt løbende og meget gnidningsløst amerikansk/tysk samarbejde mellem NASA, UTCSR, det tyske luftrumscenter (DLR), Airbus forsvar og rum i Friedrichshafen og GFZ. "Det er, som om vi er én familie på begge sider af Atlanten".

GRACE -satellitterne blev bygget i Tyskland på Airbus D&S under kontrakt fra NASAs Jet Propulsion Laboratory (JPL), Pasadena. Missionsoperationer udføres på DLRs tyske rumoperationscenter (GSOC) i Oberpfaffenhofen, og DLR anskaffede en russisk "Rockot" som løfteraket. GFZ er en del af GRACE Science Data System med partnere på JPL og UTCSR og bidrager til missionsoperationer via sin egen satellitmodtagestation i Ny-Ålesund, Spitzbergen, og levere den stedfortrædende mission operations manager. Dagens mission operation finansieres i fællesskab af GFZ, DLR og ESA's tredjepartsprogram.

Hvad har GRACE set?

I løbet af GRACE's 15 års drift, forskere fra institutioner verden over har udviklet innovative teknikker til at bruge datasættet og til at kombinere det med andre observationer og modeller til ny indsigt i Jordsystemet. Her er et par højdepunkter.

Underjordisk vand. Vand lagret i jord og akviferer under jordens overflade måles meget tyndt på verdensplan. Hydrolog Matt Rodell fra NASAs Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Maryland, lavede sin doktorgradsforskning i GRACEs hydrologiske anvendelser. Rodell sagde, at ingen før lanceringen gættede, at GRACE ville afsløre ukendt grundvandsudtømning, men i løbet af det sidste årti, JPL's Jay Famiglietti, Rodell og andre forskere har fundet flere og flere steder, hvor mennesker pumper grundvandet ud hurtigere, end det bliver genopfyldt. I 2015 Famiglietti og kolleger offentliggjorde en omfattende undersøgelse, der viser, at en tredjedel af jordens største grundvandsbassiner hurtigt bliver udtømt.

Tør jord kan øge tørkerisikoen eller øge længden af ​​en tørke. Rodell og hans team leverer GRACE-data om dyb jordfugtighed og grundvand til U.S. Drought Monitor hver uge, ved hjælp af en hydrologimodel til at beregne, hvordan fugten ændrer sig gennem måneden mellem det ene kort og det næste.

Oversvømmelsesprognosesystemer har brug for oplysninger i næsten realtid (NRT) for at estimere den sandsynlige generering og udvikling af oversvømmelseshændelsen med hensyn til udledning af vandløb og oversvømmelse med typiske leveringstider på et par dage for større vandløb. Den EU-finansierede European Gravity Service for Improved Emergency Management (EGSIEM) har udviklet sådanne daglige NRT-tyngdekraftprodukter og tilsvarende oversvømmelsesindikatorer, der skal bruges inden for DLR's Center for Satellitbaseret kriseinformation i en operationel testkørsel, der starter den 1. april.

Indlandsis og gletsjere. Antarktis er, hænderne ned, det værste sted i verden at indsamle data, og Grønland er ikke langt bagefter. Alligevel er vi nødt til at vide, hvor hurtigt disse indlandsis smelter for at forstå hastigheden og variationerne i havstigningen i verden. Forskere, der studerede kryosfæren, var blandt de første til at begynde at arbejde med GRACE -data for at udtrække de oplysninger, de havde brug for. Istabene fra Grønland og Antarktis var dramatisk større end tidligere estimeret ved brug af estimater af den skiftende højde af iskapperne og andre typer data. Siden GRACE blev lanceret, dets målinger viser, at Grønland i gennemsnit har mistet omkring 280 gigaton is om året, og Antarktis lidt under 120 gigaton om året. GFZ's forskere Ingo Sasgen (nu ved Alfred-Wegener-Institutet i Bremerhaven) og Henryk Dobslaw var desuden i stand til at relatere mellemårige variationer i snefald og dermed masseakkumulering på den antarktiske halvø som overvåget af GRACE til styrken af ​​et atmosfærisk lavtrykssystem beliggende over Amundsenhavet. Da dette lavtrykssystem i sig selv er særligt stærkt under tropiske La Nina-forhold, GRACE-dataene gjorde det for første gang muligt at kvantificere effektiviteten af ​​en atmosfærisk teleforbindelsesproces, der forbinder det tropiske klima selv med meget fjerntliggende og ret isolerede områder som Antarktis. Der er tegn på, at begge smeltehastigheder stiger.

Men også for indlandsgletsjere, GRACE leverer omfattende beviser for det hurtige tab af ismasse i mange bjergområder verden over, risikerer den langsigtede vandforsyning i deres forlande. For Centralasien, et internationalt forskerhold ledet af GFZ-forskerne Daniel Farinotti og Andreas Güntner vurderede ud fra GRACE-data, at Tien Shan i øjeblikket taber is i et tempo, der er omtrent det dobbelte af det årlige vandforbrug i hele Tyskland. Ved at kombinere dette med glaciologisk modellering, de vurderer, at halvdelen af ​​det samlede gletsjerismængde, der findes i Tien Shan i dag, kan gå tabt i 2050'erne. Se her for pressemeddelelsen på engelsk.

Ocean Dynamics. Havniveauet stiger, når isen smelter, og som havvand varmer og udvider sig. Forskere har en meget præcis, kontinuerlig måling af havets overfladehøjde verden over begyndende 1992 med NASA-franske Topex-Poseidon-missionen og fortsætter gennem Jason-missionerne. Højdemåleren havniveaumålinger, imidlertid, se kun den fulde effekt af havhøjdeændringer på grund af begge, havets temperatur og tilført vand gennem issmeltning og landafstrømning. For at få et grundigt overblik over, hvilke processer der ligger bag disse ændringer, forskere er nødt til at se på årsagerne:bliver havet hovedsageligt varmere, eller er der tilført mere vand til havene? med NÅDE, vi er i stand til at skelne mellem omfordeling af vandmasse og temperaturændringer. Inga Bergmann fra GFZ demonstrerede, at GRACE er i stand til at overvåge tidsvariationerne af vandmassetransport i den antarktiske cirkumpolære strøm ned til selv sub-månedlige perioder, derved give et meget bedre overblik over dynamikken i den stærkeste havstrøm på Jorden i stor skala end tidligere tilgængelig fra oceanografiske in situ-data.

Solid Earth ændrer sig. Den viskøse kappe under jordskorpen bevæger sig også så lidt som reaktion på masseændringer fra vand nær overfladen. GRACE har et fællesskab af brugere, der beregner disse skift til deres forskning. JPL-forskerne Surendra Adhikari og Erik Ivins brugte for nylig GRACE-data til at beregne, hvordan ikke kun tab af indlandsis, men også udtømning af grundvand faktisk har ændret Jordens rotation, efterhånden som systemet tilpasser sig disse massebevægelser.

GRACEs planlæggere havde ikke meget håb om, at missionens måling kunne bruges til at lokalisere de pludselige ændringer i masse forbundet med jordskælv på grund af forskellen i skala:jordskælv er pludselige og lokale, hvorimod GRACEs månedlige kort i gennemsnit over et område dobbelt så stort som Bayern og en hel måneds tid. Imidlertid, ved at udvikle nye databehandlings- og modelleringsteknikker, forskere har fundet en måde at isolere jordskælvseffekterne på. "Vi er i stand til at måle det øjeblikkelige masseskift i et jordskælv, og vi har fundet ud af, at der er en meget målbar afslapning, der varer i en eller to måneder efter jordskælvet, " sagde Tapley. Disse målinger giver hidtil uset indsigt i, hvad der sker langt under Jordens overflade.

Atmosfærisk lyd. Det sekundære videnskabelige mål med GRACE-missionen er at opnå omkring 150 meget præcise globalt fordelte vertikale temperatur- og fugtprofiler af atmosfæren om dagen ved hjælp af GPS-radiookkultationsteknikken (RO). "Disse målinger er af ekstrem interesse for Weather Services og klimaforandringsrelaterede undersøgelser. Derfor leverer vi disse profiler døgnet rundt med maksimalt to timer efter målingen ombord på satellitterne til de verdensførende vejrcentre, f.eks., ECMWF (European Center for Medium-Range Weather Forecasts), MetOffice, MeteoFrankrig, NCEP (National Centres for Environmental Prediction) eller DWD (Deutscher Wetterdienst) for at forbedre deres globale prognoser." sagde Jens Wickert, GFZ's RO manager.

Fremtiden

Ved 15 år, GRACE har varet tre gange så længe som oprindeligt planlagt. Projektledere har gjort alt for at forlænge dets levetid, men rumfartøjet løber snart tør for brændstof - formentlig denne sommer. NASA og GFZ har arbejdet siden 2012 på en anden GRACE-mission kaldet GRACE Follow-On, med Tyskland, der igen anskaffede løfteraketten, missionsoperationer og tvillingesatellitterne bygget igen på Airbus D&S i Tyskland.

GRACE-FO er planlagt til lancering mellem december 2017 og februar 2018. Den nye mission fokuserer på at fortsætte GRACEs succesrige datarekord. De nye satellitter bruger lignende hardware som GRACE og vil også bære en teknologidemonstrator, der bruger et nyt laserafstandsinterferometer (LRI) til at spore separationsafstanden mellem satellitterne. LRI er en fælles amerikansk/tysk udvikling og har potentiale til at producere en endnu mere præcis intersatellitmåling og resulterende tyngdekraftskort.

Med GRACE-FO til at fortsætte den revolutionære arv, der er helt sikkert flere innovative resultater forude. Mest vigtigt, selvom, forskere kan fortsætte med at overvåge ændringer i vores dyrebare globale vandressource.