Эксперимент по восстановлению гравитации и климату ( GRACE ) был совместной миссией NASA и Немецкого аэрокосмического центра (DLR). Два спутника проводили подробные измерения аномалий гравитационного поля Земли с момента запуска в марте 2002 года до окончания своей научной миссии в октябре 2017 года. Два спутника иногда называли Томом и Джерри, в честь известного мультфильма . GRACE Follow-On ( GRACE-FO ) является продолжением миссии на почти идентичном оборудовании, запущенной в мае 2018 года. 19 марта 2024 года NASA объявило, что преемником GRACE-FO станет эксперимент по восстановлению гравитации и климату-непрерывность ( GRACE-C ), который будет запущен в 2028 году или позже. [9]
Измеряя гравитационные аномалии, GRACE показал, как масса распределяется по планете и как она меняется со временем. Данные со спутников GRACE являются важным инструментом для изучения океана , геологии и климата Земли . GRACE был совместным начинанием Центра космических исследований Техасского университета в Остине , Лаборатории реактивного движения NASA , Немецкого аэрокосмического центра и Национального исследовательского центра наук о Земле Германии в Потсдаме. [10] Лаборатория реактивного движения отвечала за общее управление миссией в рамках программы NASA ESSP (Earth System Science Pathfinder).
Главным исследователем является Байрон Тэпли из Центра космических исследований Техасского университета , а вторым ведущим исследователем — Кристоф Рейгбер из GeoForschungsZentrum (GFZ) в Потсдаме . [11]
Два спутника GRACE, GRACE-1 и GRACE-2, были запущены с космодрома Плесецк , Россия, на ракете-носителе «Рокот» ( SS-19 + разгонный блок «Бриз» ) 17 марта 2002 года. Космические аппараты были запущены на начальную высоту около 500 км с околополярным наклонением 89°. Во время нормальной работы спутники были разделены на 220 км вдоль своей орбитальной траектории. Эта система могла собирать глобальное покрытие каждые 30 дней. [12] GRACE намного превысил свой 5-летний проектный срок службы, проработав 15 лет до вывода из эксплуатации GRACE-2 27 октября 2017 года. [6] Его преемник, GRACE-FO, был успешно запущен 22 мая 2018 года.
В 2019 году ледник в Западной Антарктиде был назван в честь миссии GRACE. [13] [14]
Карты ежемесячных гравитационных аномалий, созданные GRACE, в 1000 раз точнее предыдущих карт, что существенно повышает точность многих методов, используемых океанографами , гидрологами , гляциологами , геологами и другими учеными для изучения явлений, влияющих на климат. [15]
От истончения ледяных щитов до движения воды через водоносные горизонты и медленных течений магмы внутри Земли — измерения массы, проводимые GRACE, помогают ученым лучше понять эти важные природные процессы.
GRACE в основном обнаружил изменения в распределении воды по всей планете. Ученые используют данные GRACE для оценки давления на дне океана (совокупный вес океанских вод и атмосферы), что так же важно для океанографов, как атмосферное давление для метеорологов. [16] Например, измерение градиентов давления океана позволяет ученым оценивать ежемесячные изменения в глубоководных течениях океана. [17] Ограниченное разрешение GRACE приемлемо в этом исследовании, поскольку крупные океанские течения также могут быть оценены и проверены с помощью сети океанических буев. [16] Ученые также подробно описали улучшенные методы использования данных GRACE для описания гравитационного поля Земли. [18] Данные GRACE имеют решающее значение для определения причины повышения уровня моря , является ли это результатом добавления массы в океан — например, из-за таяния ледников — или из-за теплового расширения нагревающейся воды или изменения солености . [19] Статические гравитационные поля высокого разрешения, оцененные по данным GRACE, помогли улучшить понимание глобальной циркуляции океана . Холмы и долины на поверхности океана ( топография поверхности океана ) обусловлены течениями и изменениями в гравитационном поле Земли. GRACE позволяет разделить эти два эффекта, чтобы лучше измерить океанские течения и их влияние на климат. [20]
Данные GRACE предоставили данные о потере массы в ледяных щитах Гренландии и Антарктиды. Было обнаружено, что Гренландия теряет280 ± 58 Гт льда в год в период с 2003 по 2013 год, в то время как Антарктида потеряла67 ± 44 Гт в год за тот же период. [21] Это соответствует общему повышению уровня моря на 0,9 мм/год. Увеличение содержания тепла в океане в результате энергетического дисбаланса Земли примерно на 0,8 Вт/м 2 было аналогичным образом обнаружено в период с 2002 по 2019 год. [22] [23]
Данные GRACE также предоставили информацию о региональной гидрологии, недоступную для других форм дистанционного зондирования: например, истощение грунтовых вод в Индии [24] и Калифорнии. [25] Ежегодная гидрология бассейна Амазонки дает особенно сильный сигнал при просмотре с помощью GRACE. [26] Исследование, проведенное Калифорнийским университетом в Ирвайне и опубликованное в журнале Water Resources Research 16 июня 2015 года, использовало данные GRACE за период с 2003 по 2013 год, чтобы сделать вывод о том, что 21 из 37 крупнейших водоносных горизонтов мира «преодолели критические точки устойчивости и истощаются», а тринадцать из них «считаются значительно истощенными». Наиболее перегруженной является Аравийская система водоносных горизонтов , от которой зависят более 60 миллионов человек в плане воды. [27]
GRACE также обнаруживает изменения в гравитационном поле из-за геофизических процессов. Ледниковое изостатическое регулирование — медленный подъем масс суши, когда-то подавленных весом ледяных щитов последнего ледникового периода — является главным среди этих сигналов. Сигналы GIA появляются как вековые тенденции в измерениях гравитационного поля и должны быть удалены для точной оценки изменений массы воды и льда в регионе. [28] GRACE также чувствителен к постоянным изменениям в гравитационном поле из-за землетрясений. Например, данные GRACE использовались для анализа сдвигов в земной коре, вызванных землетрясением, которое вызвало цунами в Индийском океане в 2004 году. [29]
В 2006 году группа исследователей под руководством Ральфа фон Фрезе и Ларами Поттс использовала данные GRACE для обнаружения кратера Земли Уилкса в Антарктиде шириной 480 километров (300 миль) , который, вероятно, образовался около 250 миллионов лет назад. [30]
Данные GRACE улучшили текущую модель гравитационного поля Земли , что привело к улучшениям в области геодезии . Эта улучшенная модель позволила внести поправки в эквипотенциальную поверхность, от которой отсчитываются высоты суши. Эта более точная опорная поверхность позволяет получить более точные координаты широты и долготы и уменьшить погрешность в расчетах геодезических спутниковых орбит. [31]
GRACE чувствителен к региональным изменениям массы атмосферы и высокочастотным изменениям давления на дне океана. Эти изменения хорошо изучены и удаляются из ежемесячных оценок гравитации с использованием моделей прогнозирования для предотвращения наложения . [32] Тем не менее, ошибки в этих моделях влияют на решения GRACE. [33]
Данные GRACE также вносят вклад в фундаментальную физику. Они были использованы для повторного анализа данных, полученных в эксперименте LAGEOS , чтобы попытаться измерить релятивистский эффект перетаскивания кадров . [34] [35]
Космические аппараты были изготовлены немецкой компанией Astrium с использованием ее платформы "Flexbus" . Микроволновые радиочастотные системы, а также алгоритмы системы определения и управления положением были предоставлены компанией Space Systems/Loral . Звездные камеры, используемые для измерения положения космического аппарата, были предоставлены Техническим университетом Дании . Компьютер прибора вместе с высокоточным GPS-приемником BlackJack и цифровой системой обработки сигналов были предоставлены JPL в Пасадене. Высокоточный акселерометр, необходимый для разделения эффектов давления атмосферы и солнечного излучения от данных о гравитации, был изготовлен компанией ONERA .
Ключевое измерение GRACE, спутниковая гравиметрия , не выводится из электромагнитных волн. Вместо этого миссия использует микроволновую систему дальномерности для точного измерения изменений скорости и расстояния между двумя идентичными космическими аппаратами, летящими по полярной орбите примерно в 220 километрах (140 миль) друг от друга, в 500 километрах (310 миль) над Землей. Система дальномерности достаточно чувствительна, чтобы обнаруживать изменения разделения размером всего в 10 микрометров (примерно одна десятая ширины человеческого волоса) на расстоянии 220 километров. [4] Поскольку два спутника GRACE облетают земной шар 15 раз в день, они улавливают мельчайшие изменения гравитационного притяжения Земли. Когда первый спутник проходит над областью немного более сильной гравитации, гравитационной аномалией , он немного опережает отстающий спутник. Это приводит к увеличению расстояния между спутниками. Затем первый космический аппарат проходит аномалию и снова замедляется; тем временем следующий космический аппарат ускоряется, а затем замедляется в той же точке. Измеряя постоянно меняющееся расстояние между двумя спутниками и объединяя эти данные с точными измерениями местоположения, полученными с помощью приборов Глобальной системы позиционирования (GPS), ученые могут составить подробную карту гравитационных аномалий Земли.
Два спутника (прозванные «Том» и «Джерри» ) постоянно поддерживают двустороннюю связь микроволнового диапазона K между собой. Точные измерения расстояния производятся путем сравнения частотных сдвигов связи. Это стало возможным благодаря бортовому сверхстабильному генератору (USO), который производит частоты для системы измерения дальности K-диапазона. [36] Микрометрическая чувствительность этого измерения требует соответственно точных измерений положения, движения и ориентации каждого космического корабля, чтобы быть полезными. Чтобы устранить влияние внешних, негравитационных сил (например, сопротивление , давление солнечного излучения ), аппараты используют чувствительные электростатические акселерометры Super STAR, расположенные вблизи их соответствующих центров масс. GPS-приемники используются для установления точных положений каждого спутника вдоль базовой линии между спутниками. Спутники используют звездные камеры и магнитометры для установления ориентации . Аппараты GRACE также оснащены оптическими угловыми отражателями , позволяющими осуществлять лазерную локацию с наземных станций с использованием узла регулировки центра масс (MTA), который обеспечивает соответствующее изменение центра масс в течение полета. [36]
CSR, GFZ и JPL обрабатывают наблюдения и вспомогательные данные, загруженные из GRACE, для создания ежемесячных геопотенциальных моделей Земли. [37] Эти модели распространяются как сферические гармонические коэффициенты с максимальной степенью 60. Также доступны продукты степени 90. Эти продукты имеют типичную задержку 1–2 месяца. Эти геопотенциальные коэффициенты могут использоваться для вычисления высоты геоида , гравитационных аномалий и изменений в распределении массы на поверхности Земли. [38] Сетчатые продукты, оценивающие изменения массы в единицах эквивалентной толщины жидкой воды, доступны на веб-сайте GRACE Tellus JPL.
После проблемы с аккумулятором, связанной со старением, на GRACE-2 в сентябре 2017 года стало очевидно, что оставшейся емкости аккумулятора GRACE-2 будет недостаточно для работы. Поэтому в середине октября было принято решение вывести спутник GRACE-2 из эксплуатации и завершить научную миссию GRACE. [6] Возвращение в атмосферу GRACE-2 произошло 24 декабря 2017 года примерно в 00:16 UTC; [8] Возвращение в атмосферу GRACE-1 произошло 10 марта 2018 года около 06:09 UTC. [7]
Миссия GRACE-FO, совместный проект NASA и GFZ , была запущена 22 мая 2018 года на борту ракеты SpaceX Falcon 9 с авиабазы Ванденберг, Калифорния, совместно с пятью спутниками Iridium NEXT . [46] [47] Во время проверок на орбите была обнаружена аномалия в основном системном компоненте микроволнового прибора (MWI), и система была временно отключена 19 июля 2018 года. [48] После полного расследования группой реагирования на аномалии в JPL, резервная система в MWI была включена 19 октября 2018 года, и GRACE-FO возобновил свои проверки на орбите. [48] [49] GRACE-FO вошел в научную фазу своей миссии 28 января 2019 года. [50]
Орбита и конструкция GRACE-FO очень похожи на его предшественника. [51] GRACE-FO использует ту же двустороннюю микроволновую дальномерную связь, что и GRACE, что позволит достичь аналогичной точности определения дальности между спутниками. Кроме того, GRACE-FO использует лазерную дальномерную интерферометрию (LRI) в качестве технологического эксперимента по подготовке к будущим спутникам. [52] [53] [54] LRI обеспечивает более точное определение дальности между спутниками благодаря более короткой длине волны света и, кроме того, позволяет измерять угол между двумя космическими аппаратами, а также их разделение с помощью дифференциального волнового фронта (DWS). [55] [56] [57] Используя LRI, ученые повысили точность измерений расстояния разделения более чем в 20 раз по сравнению с миссией GRACE. [51] [58] Каждый лазер на LRI имеет примерно такую же мощность, как четыре лазерных указки. [59] Эти лазеры должны быть обнаружены космическим аппаратом на расстоянии около 220 километров (140 миль). [59] Этот лазерный подход позволит получить гораздо более точные измерения, чем предыдущая спутниковая миссия GRACE. [60]
Спутники GRACE-FO получают электроэнергию от панелей солнечных батарей на основе арсенида галлия, покрывающих внешнюю часть каждого спутника. [61]
GRACE-FO продолжит следить за гравитацией и климатом Земли. Миссия будет отслеживать гравитационные изменения в уровнях мирового океана, ледниках и ледяных щитах, а также уровни воды в крупных озерах и реках и влажность почвы. [55] Кроме того, каждый из спутников будет использовать антенны GPS для создания не менее 200 профилей в день распределения температуры атмосферы и содержания водяного пара, что является первым случаем для миссии GRACE. [51]
Расчетный срок службы GRACE-FO составляет 5 лет. [51] [62]