Op 17 maart, 2002, de Duits-Amerikaanse satellietduo GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) werd gelanceerd om het wereldwijde zwaartekrachtsveld met ongekende precisie in kaart te brengen. De missie duurde 15 jaar, meer dan drie keer zo lang als verwacht. Toen de twee satellieten eind 2017 en begin 2018 in de atmosfeer van de aarde verbrandden, ze hadden het zwaartekrachtsveld van de aarde en de veranderingen ervan gedurende meer dan 160 maanden geregistreerd.

Deze zogenaamde time-resolved satellietgravimetrie maakt het mogelijk, onder andere, om de terrestrische watercyclus te volgen, de massabalans van ijskappen en gletsjers, en zeespiegelverandering, en zo de mechanismen van het mondiale klimaatsysteem beter te begrijpen, nauwkeurig bepalen van belangrijke klimaattrends, en mogelijke gevolgen te voorspellen.

Een recensie in het tijdschrift Natuur Klimaatverandering presenteert nu hoogtepunten op het gebied van klimaatonderzoek op basis van GRACE-waarnemingen.

IJskappen en gletsjers

GRACE produceerde de allereerste directe meting van het verlies van ijsmassa door ijskappen en gletsjers. Eerder, het was alleen mogelijk geweest om de massa's en hun veranderingen te schatten met behulp van indirecte methoden. Binnen de eerste twee jaar van de missie, het was al mogelijk om duidelijke signalen van ijsmassaverlies waar te nemen op Groenland en Antarctica. De gemeten gegevens toonden aan dat 60 procent van het totale massaverlies te wijten is aan een verhoogde smeltproductie als reactie op de opwarmingstrends in het Noordpoolgebied, terwijl 40 procent te wijten is aan een toename van de ijsstroom in de oceaan. Volgens GRACE-gegevens, tussen april 2002 en juni 2017, Groenland verloor ongeveer 260 miljard ton ijs per jaar, Antarctica ongeveer 140 miljard ton. Naast langetermijntrends, de zwaartekrachtveldgegevens leveren ook bewijs voor de directe effecten van wereldwijde klimaatfenomenen zoals El Niño op ijskappen en gletsjers wereldwijd.

terrestrische wateropslag

Een van de meest impactvolle bijdragen van de GRACE-missie was de onthulling van het veranderende zoetwaterlandschap van de aarde, die ingrijpende gevolgen heeft voor water, voedsel en menselijke veiligheid. Wereldwijde schattingen van GRACE-trends suggereren toenemende wateropslag op hoge en lage breedtegraden, met verminderde opslag op de middelste breedtegraden. Hoewel het GRACE-record relatief kort is, deze waarneming van grootschalige veranderingen in de mondiale hydrologische cyclus is een belangrijke vroege bevestiging geweest van de veranderingen die door klimaatmodellen in de 21e eeuw zijn voorspeld.

Het analyseren van GRACE-gegevens hielp onderzoekers ook om het zeeniveau nauwkeuriger te beoordelen, omdat de opslag van zoet water op het land door verschillende mechanismen is gekoppeld aan het zeeniveau. Analyses van GRACE-gegevens hebben de allereerste schattingen mogelijk gemaakt van veranderingen in grondwateropslag vanuit de ruimte. Ze bevestigen de buitensporige mate van uitputting van het grondwater door individuele watervoerende lagen over de hele wereld. Ook de data over terrestrische waterberging hebben bijgedragen aan de validatie en kalibratie van verschillende klimaatmodellen.

Verandering van de zeespiegel en oceaandynamiek

Binnen deze eeuw, zeespiegelstijging kan versnellen tot 10 millimeter per jaar, een snelheid die ongekend is in de afgelopen 5000 jaar, en een diepgaand en direct gevolg van een opwarmend klimaat. Zeer nauwkeurige zeespiegelmetingen zijn sinds het begin van de jaren negentig beschikbaar, maar ze tonen alleen de absolute verandering van de zeespiegel. In de 25 jaar tussen 1993 en 2017, de zeespiegel steeg met gemiddeld 3,1 millimeter per jaar.

Om erachter te komen hoe thermische uitzetting, smeltend ijs en de continentale instroom van water beïnvloeden elk het zeeniveau, het is noodzakelijk om de massaverdeling van het water te bestuderen. GRACE heeft aangetoond dat 2,5 millimeter van de gemiddelde jaarlijkse zeespiegelstijging van 3,8 millimeter tussen 2005 en 2017 wordt veroorzaakt door de instroom van water of andere massa en 1,1 millimeter door de thermische uitzetting van water. Het oplossen van deze samenstelling is belangrijk voor projecties op zeeniveau.

GRACE-gegevens vormen een beperking voor de verandering van de oceaanmassa, en dus indirect op de energieonbalans van de aarde, dat is een fundamentele wereldwijde maatstaf voor klimaatverandering. GRACE heeft aangetoond dat het grootste deel van de opwarming die vrijkomt door de temperatuurstijging plaatsvindt in de bovenste 2000 meter van de oceanen, die de belangrijkste energieputten van klimaatverandering zijn. GRACE draagt ​​ook bij aan een beter begrip van de dynamiek en impact van oceaanstromingen, in het bijzonder voor de Noordelijke IJszee.

Toepassingen voor klimaatdiensten

De zwaartekrachtveldgegevens van de GRACE-satellieten hebben de droogtemonitor van de Verenigde Staten verbeterd. Dit helpt de Amerikaanse autoriteiten om tijdig en verstandig op droogtes te reageren. Met de European Gravity Service for Improved Emergency Management (EGSIEM), de Europese Unie heeft een dienst gepromoot die is ontworpen om regionale overstromingsrisico's zo vroeg mogelijk te identificeren. Tussen april en juni 2017, testruns met historische overstromingsgegevens hebben plaatsgevonden, waaruit blijkt dat de nattigheidsindicatoren voor grote rivierbekkens, bepaald door GRACE, de voorspellingen van de Mississippi of de Donau kunnen verbeteren, bijvoorbeeld. De huidige resultaten tonen ook aan dat GRACE-gegevens kunnen worden gebruikt om het risico op seizoensgebonden bosbranden nauwkeuriger te voorspellen.

De GFZ voerde de GRACE-missie uit samen met het Duitse Lucht- en Ruimtevaartcentrum (DLR), en aan de Amerikaanse kant met het NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL). In mei 2018, de stakeholders lanceerden de vervolgmissie, GRACE Vervolg (GRACE-FO). De eerste maandelijkse zwaartekrachtveldkaarten zouden eind juli van dit jaar beschikbaar moeten zijn voor internationale gebruikers. Onverwachte moeilijkheden vertraagden de indiening van de producten. "De reden was het falen van een controle-eenheid op de tweede GRACE-FO-satelliet, ", legt Frank Flechtner van GFZ uit. "Hierdoor was het nodig om over te stappen op de vervangende unit die voor dergelijke scenario's was geïnstalleerd. Maar nu, met GRACE-FO, een meer dan twee decennia durende registratie van de massale veranderingen in het systeem Aarde is binnen handbereik."

Achtergrond:Het gewicht van water

Hoe groter de massa van een object, hoe groter zijn aantrekkingskracht. Bijvoorbeeld, de Alpen oefenen een grotere aantrekkingskracht uit dan de Noord-Duitse laaglanden. Wanneer satellieten om de aarde draaien en over een enorm gebied vliegen, ze versnellen minimaal bij het naderen en vertragen als ze wegvliegen.

Een klein deel van de zwaartekracht die van de aarde uitgaat, is gebaseerd op water op of nabij het oppervlak in oceanen, rivieren, meren, gletsjers en ondergronds. Dit water reageert op seizoenen, stormen, droogte of andere weersinvloeden. GRACE profiteerde van de massale verplaatsing van water door het effect ervan vast te leggen op het satellietduo dat 220 kilometer achter elkaar om de aarde cirkelde. Microgolven werden gebruikt om hun afstand te meten. Deze afstand veranderde in de loop van de tijd als gevolg van de massaverschuiving op aarde. Uit de gegevens, de onderzoekers berekenden vervolgens maandelijkse kaarten van de regionale veranderingen in de zwaartekracht van de aarde en de causale veranderingen in de massa's op het oppervlak.