science >> Wetenschap >  >> Natuur

GRACE-gegevens dragen bij aan begrip van klimaatverandering

Illustratie van de twee GRACE-vervolgsatellieten. Krediet:NASA/JPL-Caltech

Het team van de Universiteit van Texas in Austin dat leiding gaf aan een tweelingsatellietsysteem dat in 2002 werd gelanceerd om gedetailleerde metingen van de aarde uit te voeren, genaamd het Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE), rapporten in het meest recente nummer van het tijdschrift Natuur Klimaatverandering over de bijdragen die hun bijna twee decennia aan gegevens hebben geleverd aan ons begrip van mondiale klimaatpatronen.

Onder de vele bijdragen die GRACE heeft geleverd:

  • GRACE registreerde drie keer de massa ijs die verloren ging in de pool- en berggebieden sinds de eerste metingen, een gevolg van de opwarming van de aarde.
  • GRACE maakte een meting mogelijk van de hoeveelheid warmte die aan de oceaan wordt toegevoegd en de locatie voor die warmte die in de oceaan blijft opgeslagen. GRACE heeft gedetailleerde observaties gegeven, bevestigen dat het grootste deel van de opwarming plaatsvindt in de bovenste 2, 000 meter van de oceanen.
  • GRACE heeft vastgesteld dat van de 37 grootste waterhoudende grondlagen, 13 hebben een kritiek massaverlies ondergaan. dit verlies, door zowel een klimaatgerelateerd effect als een antropogeen (door de mens veroorzaakt) effect, documenteert de verminderde beschikbaarheid van schone, zoetwatervoorziening voor menselijke consumptie.
  • De informatie verzameld van GRACE levert essentiële gegevens voor het federale agentschap United States Drought Monitor en heeft licht geworpen op de oorzaken van droogte en uitputting van watervoerende lagen in plaatsen over de hele wereld, van India tot Californië.

Bedoeld om slechts vijf jaar in een baan om de aarde te blijven voor een beperkte, experimentele missie om kleine veranderingen in de zwaartekrachtvelden van de aarde te meten, GRACE is al meer dan 15 jaar actief en heeft een ongekend inzicht gegeven in onze wereldwijde watervoorraden, van nauwkeurigere metingen van poolijsverlies tot een beter zicht op de oceaanstromingen, en de stijging van de mondiale zeespiegel. De missie was een samenwerking tussen NASA en het Duitse Aerospace Center en werd geleid door onderzoekers van het Center for Space Research (CSR) in de Cockrell School of Engineering van de UT.

UT's Texas Advanced Computing Center (TACC) heeft de afgelopen 15 jaar een cruciale rol gespeeld in dit internationale project, volgens Byron Tapley, de Clare Cockrell Williams Centennial Chair Emeritus in het Department of Aerospace Engineering and Engineering Mechanics, die in 1981 het Center for Space Research aan de UT oprichtte en die als hoofdonderzoeker van de GRACE-missie diende.

"Naarmate de vraag naar de wetenschappelijke producten van GRACE is gegroeid, Het vermogen van TACC om aan deze eisen te voldoen, is toegenomen. Het was een naadloze overgang naar een veel rijkere rapportageomgeving, " hij zei.

Door veranderingen in massa te meten die afwijkingen veroorzaken in de kracht van de zwaartekracht op de verschillende systemen van de aarde - watersystemen, ijskappen, atmosfeer, landbewegingen, en meer:​​de satellieten kunnen kleine veranderingen in de interacties van het aardsysteem meten.

Trendsignalen in GRACE-gegevens van april 2002-januari 2017. Credit:Byron Tapley

"Door de fysieke componenten van het dynamische systeem van de aarde als geheel te volgen, GRACE biedt een tijdvariabel en holistisch overzicht van hoe onze oceanen, atmosfeer en landoppervlaktopografie interageren, ' zei Tapley.

Het gegevenssysteem voor de missie is sterk gedistribueerd en vereist aanzienlijke gegevensopslag en -berekening via een internationaal gedistribueerd netwerk. Hoewel de uiteindelijke dataproducten voor de MVO-oplossingen worden gegenereerd bij TACC, er wordt in Duitsland aanzienlijke inspanning geleverd door het Geophysics Center in Potsdam en het NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL) in Pasadena, Californië. De uiteindelijke MVO-analyse bij TACC begint met een data-downlink van de satellieten naar een centrum voor het verzamelen van onbewerkte gegevens in Duitsland. De gegevens worden vervolgens doorgestuurd naar JPL waar de primaire metingen worden omgezet in de geofysische metingen bestaande uit GPS, versnellingsmeter, houding quaternions, en de zeer nauwkeurige intersatellietbereikmetingen die door elke satelliet zijn verzameld tijdens een observatieperiode van een maand.

"De verzameling van informatie van deze internationale gemeenschap wordt samengebracht door de fundamentele computercapaciteit en de operationele filosofie bij TACC om de uitdagende data-analyse te ondergaan die nodig is om de paradigma-verschuivende kijk op de interacties van de aarde te verkrijgen, ' zei Tapley.

Ondanks dat het een riskante onderneming is die met minimale financiering werkt, de GRACE-missie overtrof alle verwachtingen en blijft een kritische reeks metingen leveren.

"Het concept om de veranderende gravimetrische patronen op aarde te gebruiken als middel om grote veranderingen in de interacties van het aardsysteem te begrijpen, was eerder voorgesteld, "Zei Tapley. "Maar we waren de eersten die het mogelijk maakten op een meetniveau dat de behoeften van de diverse aardwetenschappelijke gemeenschap ondersteunde."

Een van de opmerkelijke voordelen van het werken met TACC, volgens Tapley, is het vermogen om vragen te stellen waarvan de oplossingen vóór de TACC niet haalbaar zouden zijn en het vermogen te vinden om de vragen te beantwoorden.

"Als voorbeeld, toen we de GRACE-missie begonnen, ons vermogen keek naar zwaartekrachtmodellen die werden gekenmerkt door ongeveer 5, 000 modelparameters, waarvan de oplossing werd verkregen met ongeveer jaarlijkse analyse-intervallen. De huidige GRACE-modellen met alleen satellieten zijn gebaseerd op ongeveer 33, 000 parameters die we met een dagelijks interval kunnen bepalen. In de laatste heranalyse van de GRACE-gegevens, we willen deze parametrering uitbreiden naar 4, 000, 000 parameters voor het gemiddelde model. De interactie met TACC was altijd in de context van:'Als het antwoord op een zinvolle vraag uitgebreide berekeningen vereist, laten we een manier vinden om aan die eis te voldoen, ' zei Tapley.

Nu de GRACE Follow-On-missie, waarin de CSR een rol zal blijven spelen, is met succes gelanceerd, de kans om het GRACE-record voort te zetten voor een tweede multi-decadale meting van veranderingen in massa over het hele aardesysteem is mogelijk. Ingenieurs en wetenschappers verwachten dat het langere gegevensinterval hen in staat zal stellen een nog duidelijker beeld te krijgen van hoe de klimaatpatronen van de planeet zich in de loop van de tijd gedragen.