Hvad Jordens tyngdekraft afslører om klimaændringer

Den 17. marts, 2002, det tysk-amerikanske. satellitduoen GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) blev lanceret for at kortlægge det globale tyngdefelt med en hidtil uset præcision. Missionen varede i 15 år, mere end tre gange så længe som forventet. Da de to satellitter brændte op i Jordens atmosfære i slutningen af ​​2017 og begyndelsen af ​​2018, de havde registreret Jordens tyngdefelt og dets ændringer i mere end 160 måneder.

Denne såkaldte tidsopløste satellitgravimetri gør det muligt, blandt andet, at overvåge den terrestriske vandcyklus, massebalancen mellem iskapper og gletschere og havniveau ændring, og dermed for bedre at forstå mekanismerne i det globale klimasystem, præcist vurdere vigtige klimatiske tendenser, og forudsige mulige konsekvenser.

En anmeldelse i tidsskriftet Naturens klimaforandringer præsenterer nu højdepunkter inden for klimaforskning baseret på GRACE -observationer.

Indlandsis og gletschere

GRACE producerede den første nogensinde direkte måling af ismassetab fra iskapper og gletsjere. Tidligere har det havde kun været muligt at estimere masserne og deres ændringer ved hjælp af indirekte metoder. Inden for de første to år af missionen, det var allerede muligt at observere klare signaler om ismassetab i Grønland og Antarktis. De målte data viste, at 60 procent af det samlede massetab skyldes øget smelteproduktion som reaktion på arktiske opvarmningstendenser, mens 40 procent skyldes en stigning i isstrømmen i havet. Ifølge GRACE -data, mellem april 2002 og juni 2017, Grønland mistede omkring 260 milliarder tons is om året, Antarktis omkring 140 milliarder tons. Ud over de langsigtede tendenser, dataene om tyngdekraftsfeltet viser også de direkte virkninger af globale klimafænomener som El Niño på iskapper og gletschere verden over.

Terrestrisk vandlagring

Blandt de mest effektive bidrag fra GRACE -missionen har været afsløringen af ​​Jordens skiftende ferskvandslandskab, som har store konsekvenser for vand, mad og menneskelig sikkerhed. Globale skøn over GRACE -tendenser tyder på øget vandlagring på høje og lave breddegrader, med nedsat lagring på midten af ​​breddegrader. Selvom GRACE -rekorden er relativt kort, denne observation af store ændringer i den globale hydrologiske cyklus har været en vigtig tidlig bekræftelse af de ændringer, der forudsiges af klimamodeller gennem det 21. århundrede.

Analyse af GRACE -data hjalp også forskere med at vurdere havniveauet mere præcist, da oplagring af ferskvand på land er forbundet med havets overflade ved forskellige mekanismer. Analyser af GRACE-data har muliggjort de første nogensinde estimater af ændringer i grundvandsopbevaring fra rummet. De bekræfter overdreven nedbrydning af grundvand fra individuelle akviferer rundt om i verden. Dataene om terrestrisk vandlagring har også bidraget til validering og kalibrering af forskellige klimamodeller.

Havniveauændring og havdynamik

Inden for dette århundrede, havstigning kan stige til 10 millimeter om året, en sats uden fortilfælde i løbet af de sidste 5000 år, og en dyb og direkte konsekvens af et opvarmende klima. Højpræcisions havmålinger har været tilgængelige siden begyndelsen af ​​1990'erne, men de viser kun den absolutte havniveauændring. I de 25 år mellem 1993 og 2017, havstanden steg i gennemsnit med 3,1 millimeter om året.

For at finde ud af, hvordan termisk ekspansion, issmeltning og den kontinentale tilstrømning af vand påvirker hver især havets overflade, det er nødvendigt at undersøge vandets massefordeling. GRACE har vist, at 2,5 millimeter af den gennemsnitlige årlige stigning i havniveauet på 3,8 millimeter mellem 2005 og 2017 skyldes tilstrømning af vand eller anden masse og 1,1 millimeter af termisk ekspansion af vand. Løsning af denne sammensætning er vigtig for projekter ved havniveau.

GRACE -data giver en begrænsning for ændringer i havmasse, og dermed indirekte på Jordens energibalance, som er en grundlæggende global metrik for klimaændringer. NÅDE har vist, at størstedelen af ​​den opvarmning, der frigives ved temperaturstigningen, sker i de øverste 2000 meter af havene, som er de vigtigste energisænke i klimaforandringerne. GRACE bidrager også til en bedre forståelse af dynamikken og virkningen af ​​havstrømme, især for Ishavet.

Klimaserviceapplikationer

Gravitationsfeltdataene for GRACE -satellitterne har forbedret USA's tørkeovervågning. Dette hjælper amerikanske myndigheder til at reagere på tørke rettidigt og fornuftigt. Med European Gravity Service for Improved Emergency Management (EGSIEM), Den Europæiske Union har fremmet en tjeneste, der er designet til at identificere regionale oversvømmelsesrisici så tidligt som muligt. Mellem april og juni 2017, testkørsler med historiske oversvømmelsesdata fandt sted, viser, at vådhedsindikatorerne for store flodbassiner bestemt af GRACE kan forbedre prognoser for Mississippi eller Donau, for eksempel. Nuværende resultater viser også, at GRACE -data kan bruges til at forudsige risikoen for sæsonbetonede brande mere præcist.

GFZ drev GRACE -missionen sammen med German Aerospace Center (DLR), og på den amerikanske side med NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL). I maj 2018, interessenterne iværksatte opfølgningsmissionen, GRACE Follow-on (GRACE-FO). De første månedlige gravitationsfeltkort skulle være tilgængelige for internationale brugere inden udgangen af ​​juli i år. Uventede vanskeligheder forsinkede indsendelsen af ​​produkterne. "Årsagen var fejlen i en kontrolenhed på den anden GRACE-FO-satellit, "forklarer Frank Flechtner fra GFZ." Dette gjorde det nødvendigt at skifte til den udskiftningsenhed, der er installeret til sådanne scenarier. Men nu, med GRACE-FO, en mere end to årtier lang registrering af masseændringerne i systemet Jorden er inden for rækkevidde. "

Baggrund:Vægten af ​​vand

Jo større massen af ​​et objekt, jo større er dens tyngdekraftsattraktion. For eksempel, Alperne udøver et større tyngdekraftstræk end det nordtyske lavland. Når satellitter kredser om jorden og flyver over en massiv region, de accelererer minimalt, når de nærmer sig det og sænker farten, når de flyver væk.

En lille del af gravitationen fra jorden er baseret på vand på eller nær overfladen i oceaner, floder, søer, gletsjere og under jorden. Dette vand reagerer på årstider, storme, tørke eller andre vejrvirkninger. GRACE udnyttede masseforskydningen af ​​vand ved at registrere dets virkning på satellitduoen, der kredsede Jorden 220 kilometer i træk. Mikrobølger blev brugt til at måle deres afstand. Denne afstand ændrede sig over tid på grund af masseskiftet på Jorden. Ud fra dataene, forskerne beregnede derefter månedlige kort over de regionale ændringer i Jordens tyngdekraft og de kausale ændringer i masserne på overfladen.