'Revolutionair' is een woord dat je vaak hoort als mensen over de GRACE-missie praten. Sinds de twee satellieten van het NASA/Duitse Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) op 17 maart zijn gelanceerd, 2002, hun gegevens hebben de kijk van wetenschappers op hoe water beweegt en wordt opgeslagen over de hele planeet veranderd. "GRACE maakte het mogelijk om de beweging van water via zijn massa te volgen, een veld dat niet beschikbaar was voor remote sensing in de ruimte en dat nieuwe mogelijkheden opende voor het monitoren en kwantificeren van klimaatverandering, " zei Reinhard Hüttl, de voorzitter van de raad van bestuur en wetenschappelijk directeur van het Helmholtz Center Potsdam - GFZ Duits onderzoekscentrum voor geowetenschappen.

Net als veel andere revoluties, GRACE begon met een radicaal idee. Hoofdonderzoeker Byron Tapley (University of Texas Center for Space Research (UTCSR) in Austin) zei:"Het volledig nieuwe idee over GRACE was de perceptie dat het meten en volgen van massa je een manier geeft om het aardsysteem te onderzoeken." Het meten van veranderingen in massa is een sleutel geweest om te ontdekken hoe water en de vaste aarde veranderen op plaatsen waar mensen niet kunnen komen en niet kunnen zien.

Het gewicht van water

Hoe groter de massa van een object, hoe groter de zwaartekracht. Bijvoorbeeld, de Alpen oefenen meer zwaartekracht uit dan de vlakke Noord-Duitse vlakte. Mensen merken het kleine verschil niet, maar satellieten wel. Terwijl hij in een baan om de aarde draait, satellieten versnellen heel licht als ze een enorm object naderen en vertragen als ze weggaan.

Het overgrote deel van de aantrekkingskracht van de aarde is te wijten aan de massa van het binnenste van de aarde. Een klein deel, echter, wordt veroorzaakt door water op of nabij het aardoppervlak. De oceaan, rivieren, gletsjers en ondergronds water veranderen veel sneller dan het binnenste van de aarde, reageren op veranderende seizoenen en stormen, droogtes en andere weers- en klimaateffecten. GRACE is ontstaan ​​uit de erkenning dat een speciaal ontworpen missie deze veranderingen daadwerkelijk vanuit de ruimte kon observeren en de verborgen geheimen van de watercyclus kon onthullen.

GRACE meet veranderingen in massa door hun effecten op twee satellieten die ongeveer 220 kilometer van elkaar verwijderd zijn. Het ruimtevaartuig zendt voortdurend microgolfpulsen naar elkaar uit en timet de aankomst van terugkerende signalen. wat zich vertaalt naar de afstand tussen de twee satellieten. Veranderingen in zwaartekracht veranderen die afstand heel licht - met slechts een paar microns breedte, dat is, een fractie van de diameter van een mensenhaar. GPS houdt bij waar het ruimtevaartuig zich bevindt ten opzichte van het aardoppervlak, en versnellingsmeters aan boord registreren andere krachten op het ruimtevaartuig dan de zwaartekracht, zoals atmosferische weerstand en zonnestraling. Wetenschappers verwerken al deze gegevens om maandelijkse kaarten te maken van de regionale variaties in de mondiale zwaartekracht en de bijbehorende variaties in oppervlaktemassa.

"Toen NASA dit complex selecteerde, een uiterst nauwkeurige missie voor lancering in het kader van het Earth System Science Pathfinder-programma en ik ging eind vorige eeuw aan het GRACE-project mee als GRACE-projectmanager van Duitsland, Ik dacht dat het misschien een beetje onwaarschijnlijk was dat dit ooit zou kunnen werken en ooit zo'n ongelooflijk lange reeks maandelijkse kaarten van het wereldwijde massatransport zal opleveren, " herinnert Frank Flechtner (GFZ), de huidige co-hoofdonderzoeker en opvolger van de oorspronkelijke Co-PI en voormalig directeur van GFZ's afdeling "Geodesy" Christoph Reigber.

Flechtner schrijft het succes van de missie toe aan een nauw lopende en zeer soepele Amerikaans/Duitse samenwerking tussen NASA, UTCSR, het Duitse Lucht- en Ruimtevaartcentrum (DLR), Airbus Defense and Space in Friedrichshafen en GFZ. "Het is alsof we één familie zijn aan beide kanten van de Atlantische Oceaan".

De GRACE-satellieten werden in Duitsland gebouwd bij Airbus D&S in opdracht van NASA's Jet Propulsion Laboratory (JPL), Pasadena. Missie-operaties worden uitgevoerd in DLR's German Space Operations Center (GSOC) in Oberpfaffenhofen en DLR kocht een Russische "Rockot" als lanceervoertuig. GFZ maakt deel uit van het GRACE Science Data System met partners bij JPL en UTCSR en draagt ​​bij aan missieoperaties via haar eigen satellietontvangststation in Ny-Ålesund, Spitsbergen, en het verstrekken van de plaatsvervangend mission operations manager. De financiering van de missieoperaties van vandaag wordt gezamenlijk verzekerd door GFZ, DLR en ESA's Third Party Mission-programma.

Wat heeft GRACE gezien?

Gedurende de 15 jaar dat GRACE actief is, onderzoekers van instellingen over de hele wereld hebben innovatieve technieken ontwikkeld om de dataset te gebruiken en te combineren met andere waarnemingen en modellen voor nieuwe inzichten in het aardsysteem. Hier zijn een paar hoogtepunten.

Ondergronds water. Water opgeslagen in de bodem en watervoerende lagen onder het aardoppervlak wordt wereldwijd zeer schaars gemeten. Hydroloog Matt Rodell van NASA's Goddard Space Flight Center, Groene riem, Maryland, deed zijn promotieonderzoek naar de hydrologische toepassingen van GRACE. Rodell zei dat niemand voor de lancering vermoedde dat GRACE onbekende uitputting van het grondwater zou onthullen, maar de afgelopen tien jaar Jay Famiglietti van JPL, Rodell en andere onderzoekers hebben steeds meer locaties gevonden waar mensen grondwater sneller wegpompen dan dat het wordt aangevuld. anno 2015, Famiglietti en collega's publiceerden een uitgebreid onderzoek waaruit blijkt dat een derde van de grootste grondwaterbassins op aarde snel uitgeput raakt.

Droge bodems kunnen het droogterisico vergroten of de duur van een droogte verlengen. Rodell en zijn team verstrekken wekelijks GRACE-gegevens over diep bodemvocht en grondwater aan de Amerikaanse droogtemonitor, met behulp van een hydrologisch model om te berekenen hoe het vocht in de loop van de maand verandert tussen de ene kaart en de andere.

Overstromingsvoorspellingssystemen hebben bijna-realtime (NRT) informatie nodig om de waarschijnlijke vorming en ontwikkeling van de overstroming te schatten in termen van rivierafvoer en overstromingsstadium met typische aanlooptijden van enkele dagen voor grotere stroomgebieden. De door de EU gefinancierde European Gravity Service for Improved Emergency Management (EGSIEM) heeft dergelijke dagelijkse NRT-zwaartekrachtproducten en bijbehorende overstromingsindicatoren ontwikkeld voor gebruik binnen het DLR-centrum voor satellietgebaseerde crisisinformatie in een operationele testrun die begint op 1 april.

IJskappen en gletsjers. Antartica is, zonder twijfel, de slechtste plek ter wereld om gegevens te verzamelen, en Groenland loopt niet ver achter. Toch moeten we weten hoe snel deze ijskappen smelten om de snelheid en variaties van de zeespiegelstijging over de hele wereld te begrijpen. Wetenschappers die de cryosfeer bestudeerden, behoorden tot de eersten die met GRACE-gegevens gingen werken om de informatie te extraheren die ze nodig hadden. De ijsverliezen van Groenland en Antarctica waren dramatisch groter dan eerder werd geschat op basis van schattingen van de veranderende hoogte van de ijskappen en andere soorten gegevens. Sinds de lancering van GRACE, de metingen tonen aan dat Groenland gemiddeld ongeveer 280 gigaton ijs per jaar verliest, en Antarctica iets minder dan 120 gigaton per jaar. GFZ's wetenschappers Ingo Sasgen (nu aan het Alfred-Wegener-Instituut in Bremerhaven) en Henryk Dobslaw waren bovendien in staat om de jaarlijkse variaties in sneeuwval en dus massaaccumulatie op het Antarctisch Schiereiland, zoals gecontroleerd door GRACE, in verband te brengen met de sterkte van een atmosferisch lagedruksysteem gelegen boven de Amundsenzee. Aangezien dat lagedruksysteem zelf bijzonder sterk is tijdens tropische La Nina-omstandigheden, de GRACE-gegevens maakten het voor het eerst mogelijk om de effectiviteit te kwantificeren van een atmosferisch televerbindingsproces dat het tropische klimaat zelfs verbindt met zeer afgelegen en nogal geïsoleerde regio's als Antarctica. Er zijn aanwijzingen dat beide smeltsnelheden toenemen.

Maar ook voor gletsjers in het binnenland, GRACE levert grootschalig bewijs voor het snelle verlies van ijsmassa in veel berggebieden wereldwijd, waardoor de watervoorziening op de lange termijn in hun voorlanden in gevaar komt. Voor Centraal-Azië, een internationaal onderzoeksteam onder leiding van de GFZ-onderzoekers Daniel Farinotti en Andreas Güntner schatte op basis van GRACE-gegevens dat de Tien Shan momenteel ijs verliest in een tempo dat ruwweg tweemaal het jaarlijkse waterverbruik van heel Duitsland is. Door dit te combineren met glaciologische modellering, ze schatten dat de helft van het totale volume van het gletsjerijs dat tegenwoordig in de Tien Shan aanwezig is, tegen de jaren 2050 verloren zou kunnen gaan. Zie hier voor het persbericht in het Engels.

Oceaan dynamiek. De zeespiegel stijgt naarmate het ijs smelt en het zeewater opwarmt en uitzet. Wetenschappers hebben een zeer nauwkeurige, continue meting van de hoogte van de zeespiegel wereldwijd vanaf 1992 met de NASA-Franse Topex-Poseidon-missie en voortgezet door de Jason-reeks missies. De hoogtemeter zeespiegelmetingen, echter, zie alleen het volledige effect van oceaanhoogteveranderingen als gevolg van beide, de oceaantemperatuur en toegevoegd water door smeltend ijs en landafvoer. Om een ​​diepgaand beeld te krijgen van welke processen achter deze veranderingen zitten, wetenschappers moeten kijken naar de oorzaken:wordt de oceaan vooral warmer of wordt er meer water aan de oceanen toegevoegd? Met GENADE, we kunnen onderscheid maken tussen herverdeling van de watermassa en temperatuurveranderingen. Inga Bergmann van GFZ heeft aangetoond dat GRACE in staat is om de tijdsvariaties van watermassatransport in de Antarctische Circumpolaire Stroom tot zelfs submaandelijkse perioden te volgen, waardoor een veel beter grootschalig beeld wordt verkregen van de dynamiek van de sterkste oceaanstroom op aarde dan voorheen beschikbaar was op basis van oceanografische in situ-gegevens.

Vaste aarde verandert. De stroperige mantel onder de aardkorst beweegt ook heel lichtjes als reactie op massale veranderingen van water nabij het oppervlak. GRACE heeft een gemeenschap van gebruikers die deze verschuivingen berekenen voor hun onderzoek. JPL-wetenschappers Surendra Adhikari en Erik Ivins hebben onlangs GRACE-gegevens gebruikt om te berekenen hoe niet alleen het verlies van ijskappen, maar ook de uitputting van het grondwater de rotatie van de aarde hebben veranderd terwijl het systeem zich aanpast aan deze bewegingen van massa.

De planners van GRACE hadden niet veel hoop dat de meting van de missie zou kunnen worden gebruikt om de abrupte veranderingen in massa te lokaliseren die gepaard gaan met aardbevingen vanwege het verschil in schaal:aardbevingen zijn plotseling en lokaal, terwijl de maandelijkse kaarten van GRACE gemiddeld een gebied beslaan dat twee keer zo groot is als Beieren en een hele maand lang. Echter, door het bedenken van nieuwe technieken voor gegevensverwerking en modellering, onderzoekers hebben een manier gevonden om de aardbevingseffecten te isoleren. "We kunnen de momentane massaverschuiving bij een aardbeving meten, en we hebben ontdekt dat er een zeer meetbare ontspanning is die een of twee maanden na de aardbeving aanhoudt, " zei Tapley. Deze metingen bieden ongekende inzichten in wat er ver onder het aardoppervlak gebeurt.

Sfeervol klinkend. Het secundaire wetenschappelijke doel van de GRACE-missie is het verkrijgen van ongeveer 150 zeer nauwkeurige, wereldwijd verspreide verticale temperatuur- en vochtigheidsprofielen van de atmosfeer per dag met behulp van de GPS-radio-occultatie (RO)-techniek. "Deze metingen zijn van extreem belang voor weerdiensten en studies gerelateerd aan klimaatverandering. Daarom verstrekken we deze profielen 24/7 met maximaal twee uur na de meting aan boord van de satellieten aan de toonaangevende weercentra, bijv. ECMWF (Europees centrum voor weersvoorspellingen op middellange termijn), MetOffice, MeteoFrance, NCEP (National Centres for Environmental Prediction) of DWD (Deutscher Wetterdienst) om hun wereldwijde voorspellingen te verbeteren", aldus Jens Wickert, RO-manager van GFZ.

De toekomst

Op 15 jaar, GRACE heeft drie keer zo lang geduurd als oorspronkelijk gepland. Projectmanagers hebben er alles aan gedaan om de levensduur te verlengen, maar het ruimtevaartuig zal binnenkort zonder brandstof komen te zitten, waarschijnlijk deze zomer. NASA en GFZ werken sinds 2012 aan een tweede GRACE-missie genaamd GRACE Follow-On, waarbij Duitsland opnieuw de draagraket aanschaft, missieoperaties en de opnieuw gebouwde dubbele satellieten bij Airbus D&S in Duitsland.

GRACE-FO staat gepland voor lancering tussen december 2017 en februari 2018. De nieuwe missie is gericht op het voortzetten van het succesvolle gegevensrecord van GRACE. De nieuwe satellieten gebruiken vergelijkbare hardware als GRACE en zullen ook een technologiedemonstratie hebben die een nieuwe laserafstandsinterferometer (LRI) gebruikt voor het volgen van de scheidingsafstand tussen de satellieten. De LRI is een gezamenlijke Amerikaans/Duitse ontwikkeling en heeft het potentieel om een ​​nog nauwkeurigere intersatellietmeting en resulterende zwaartekrachtkaart te produceren.

Met GRACE-FO om de revolutionaire erfenis voort te zetten, er zijn zeker meer innovatieve bevindingen in het verschiet. Het belangrijkste is, Hoewel, wetenschappers kunnen veranderingen in onze kostbare wereldwijde waterbron blijven volgen.