NASAs GRACE:Hvad forskere har lært af vand i bevægelse

Når du hører nyheder om istab fra Grønland eller Antarktis, en akvifer i Californien, der er ved at blive udtømt, eller en ny forklaring på en slingre i Jordens rotation, du er måske ikke klar over, at alle disse resultater kan være afhængige af data fra én enkelt mission:det amerikansk-tyske gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE). GRACE data, indsamlet fra 2002 til 2017, mens missionen var aktiv, bliver stadig brugt til at forbedre vores forståelse af vand i bevægelse og dets nogle gange overraskende virkninger på vores planet. Et nyt papir samler nyligt beregnede og eksisterende oversigter over de vigtigste resultater, som GRACE har genereret, viser bredden af ​​emner, som missionen har belyst gennem årene.

"Vand er et vigtigt tegn på planetens sundhed, " sagde Michael Watkins, den oprindelige GRACE-projektforsker og nu direktør for NASAs Jet Propulsion Laboratory (JPL) i Pasadena, Californien. "Men vand er svært at spore i nogle former - f.eks. polaris eller vand opbevaret dybt under jorden. Vi er nødt til at forstå disse komponenter såvel som vi forstår vand i dets lettere vurderelige former rundt om på kloden. Det er, hvad GRACE har gjort os i stand til at gøre." Forskere har brugt denne øgede viden om, hvordan vand bevæger sig og lagres på Jorden til at forstå det globale klima, og hvordan det ændrer sig.

Byron Tapley, GRACEs oprindelige hovedefterforsker og den motiverende kraft bag missionen (nu pensioneret fra University of Texas i Austin), er hovedforfatter på det nye papir. Med titlen "Contributions of GRACE to Understanding Climate Change" og offentliggjort i tidsskriftet Natur klimaændringer , den opsummerer de seneste resultater og nye indsigter, som GRACE har muliggjort indtil nu. Anmeldelsen, som dækker aspekter af GRACE-måleteknikken, videnskabelige gennembrud og relevansen for klimaserviceapplikationer, blev skrevet af et fornemt team af GRACE-eksperter. De fleste forfattere bidrog til GRACE-missionen, selv før den blev lanceret, og har udført banebrydende arbejde med dens data.

Hvordan måling af tyngdekraft afslører bevægende vand

GRACE og dens efterfølger, GRACE Follow-On, blev designet til at måle ændringer i tyngdekraften, der skyldes ændringer i massen på Jorden. Mere end 99 procent af Jordens gennemsnitlige tyngdekraft ændres ikke fra den ene måned til den anden. Det er fordi det kommer fra massen af ​​den faste Jord selv – dens overflade og indre – og som sjældent bevæger sig, eller bevæger sig meget langsomt. Vand, på den anden side, bevæger sig konstant næsten overalt:Sne falder, havstrømme flyder, isen smelter og så videre. Da de to GRACE-satellitter kredsede om Jorden, den ene følger den anden tæt, ændringerne i massen nedenfor ændrede afstanden mellem de to satellitter meget lidt. Registreringen af ​​disse ændringer blev analyseret for at skabe månedlige globale kort over ændringer og omfordeling af Jordens masse nær overfladen.

"Det var en udfordring at skrive en repræsentativ otte-siders anmeldelse af GRACE-præstationer, som er blevet dokumenteret i over 3, 000 peer-reviewed publikationer, sagde Ingo Sasgen, GRACE-forsker ved Alfred Wegener Instituttets Helmholtz Center for Polar- og Havforskning i Bremerhaven, Tyskland, der koordinerede det nye papir. "Vi ønskede at formidle, hvor unik GRACE-missionen virkelig var, og hvor vigtige dens data er for os for at forstå, hvordan klimaændringer påvirker vand, der er lagret i havet, isen og på kontinenterne." Her er et par eksempler.

Grønland og Antarktis. Papiret opdaterer tidligere undersøgelser for at rapportere, at i løbet af GRACE-missionens levetid, Grønland mistede 258 gigaton is om året, hvor beløbet varierer med mere end 50 % fra år til år, i høj grad som reaktion på temperaturer i sommermånederne. "Arktis opvarmes omkring dobbelt så hurtigt som det globale gennemsnit, med tab af ismasse og havniveaustigning som store konsekvenser, " sagde Sasgen. "Med GRACE var vi i stand til at budgettere hver måned massetabet af gletsjere og iskapper rundt om i verden. Disse data har dramatisk forbedret vores forståelse af processerne i disse fjerntliggende områder og deres følsomhed over for klimaændringer." Antarktis tabte i gennemsnit 137 gigaton om året, men den årlige tabsrate varierede med mere end 150 %, primært på grund af udsving i snefald. GRACE fandt også ud af, at disse store udsving for det meste forekommer i Vestantarktis og korrelerer godt med El Niño-begivenheder, som påvirker hvor meget nedbør der når kontinentet.

Ændringer i vandlagring på land. GRACE har afsløret, at mindre vand nu bliver lagret naturligt i landområder på midten af ​​breddegraden (dvs. disse regioner får mindre nedbør og bliver tørrere), og mere bliver lagret i høj- og lavbreddegrader (dvs. disse regioner bliver vådere). Klimamodeller har længe forudsagt, at globale klimaændringer vil medføre denne tendens, så observationerne giver en vigtig tidlig bekræftelse af modellerne.

Havniveaustigning. Havniveauet steg mere end 1,5 tommer (3,7 centimeter) pr. årti i gennemsnit over kloden fra 2005 til 2016. Der er to hovedårsager til denne ændring:afstrømning fra smeltende iskapper og gletsjere, og udvidelse af selve havvandet, når det opvarmes. Udover at overvåge ændringer i iskapperne og gletsjerne, GRACE kunne registrere, hvor meget havniveaustigningen skyldtes, at vand, der tidligere var låst i is på land, blev tilført havet. Dataene viser, at denne kilde steg under hele missionen og er i øjeblikket ansvarlig for omkring to tredjedele af havniveaustigningen.

"GRACE gav et paradigmeskifte i vores syn på, hvordan oceanerne, atmosfære og jordoverfladekomponenter interagerer, " sagde Tapley. "Som et eksempel, GRACE viste, at vandet, der forlader de polare iskapper, er lig med stigningen i vandmassen i havene, bekræftelse af denne vigtige målings anvendelse til vurdering af havvarmelagring."

Udover dets værdi for forskning, Tapley påpegede, "GRACE er også et vigtigt aktiv til at vurdere tilstanden af ​​ferskvand og hjælpe med at styre det." For at forbedre oversvømmelsesprognoserne for Europa, European Gravity Service for Improved Emergency Management bruger GRACE-data til at se på jordmætningsniveauer uger før oversvømmelsessæsonen. Forskere har fundet ud af, at viden om usædvanligt høje niveauer af lagring af underjordisk vand kan øge leveringstiden på advarsler om høje flodoversvømmelser med op til seks uger. I situationer, hvor der er knaphed på ferskvand, GRACE-data understøtter U.S. Drought Monitor, som sporer tørke på tværs af USA og dets territorier og er meget brugt af ledere på føderalt og statsligt niveau

GRACE's værdi for det videnskabelige samfund blev anerkendt inden for dets første to driftsår, og samfundet anbefalede kraftigt, at missionen fortsættes uden større datahuller. For at opnå det, NASA og det tyske forskningscenter for geovidenskab (GFZ) lancerede en efterfølger, GRACE Follow-On, i maj 2018. GRACE-FO har gennemført alle sine betalingsfaser og vil snart begynde at udgive månedlige kort over masseændringer på Jorden. "GRACE-FO giver os mulighed for at fortsætte den revolutionære arv fra GRACE, " sagde Watkins. "Der er helt sikkert flere uventede og innovative resultater forude."

GRACE blev implementeret som en fælles mission for NASA og German Aerospace Center. GRACE var den første hovedefterforsker-ledede mission implementeret under Earth System Pathfinder-programmet. Implementeringsteamet omfattede University of Texas i Austin, JPL og GFZ. JPL styrede implementeringen og driften for NASA's Science Mission Directorate i Washington. Caltech i Pasadena administrerer JPL for NASA.