I due satelliti "Gravity Recovery and Climate Experiment" (GRACE) mappano il campo gravitazionale terrestre durante la loro missione. I satelliti GRACE sono sviluppati e prodotti da Astrium GmbH a Friedrichshafen, Germania, per NASA/JPL e GFZ. Sono durati tre volte i cinque anni previsti per la missione. Attestazione:Astrium/GFZ
"Rivoluzionario" è una parola che si sente spesso quando si parla della missione GRACE. Da quando i satelliti gemelli della NASA/German Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) sono stati lanciati il 17 marzo, 2002, i loro dati hanno trasformato la visione degli scienziati su come l'acqua si muove e viene immagazzinata in tutto il pianeta. "GRACE ha permesso di tracciare il movimento dell'acqua attraverso la sua massa, un campo che non era disponibile nel telerilevamento spaziale e che ha aperto nuove opzioni per monitorare e quantificare il cambiamento climatico, " ha detto Reinhard Hüttl, il presidente del consiglio di amministrazione e direttore scientifico esecutivo del Centro Helmholtz Potsdam - GFZ Centro di ricerca tedesco per le geoscienze.
Come molte altre rivoluzioni, GRACE ha iniziato con un'idea radicale. Il ricercatore principale Byron Tapley (Centro per la ricerca spaziale dell'Università del Texas (UTCSR) di Austin) ha dichiarato:"L'idea completamente nuova di GRACE era la percezione che misurare e tracciare la massa ti dà un modo per sondare il sistema Terra". Misurare i cambiamenti di massa è stata la chiave per scoprire come l'acqua e la Terra solida stanno cambiando in luoghi in cui gli umani non possono andare e non possono vedere.
Il peso dell'acqua
Maggiore è la massa di un oggetto, maggiore è la sua attrazione gravitazionale. Per esempio, le Alpi esercitano una maggiore attrazione gravitazionale rispetto alla piana pianura della Germania settentrionale. Gli umani non notano la piccola differenza, ma i satelliti sì. Mentre orbita intorno alla Terra, i satelliti accelerano leggermente quando si avvicinano a una caratteristica massiccia e rallentano mentre si allontanano.
La stragrande maggioranza dell'attrazione gravitazionale della Terra è dovuta alla massa dell'interno della Terra. Una piccola parte, però, è dovuto all'acqua sulla o vicino alla superficie terrestre. L'oceano, fiumi, i ghiacciai e le acque sotterranee cambiano molto più rapidamente dell'interno della Terra, rispondendo al mutare delle stagioni e alle tempeste, siccità e altri effetti meteorologici e climatici. GRACE è nato dal riconoscimento che una missione appositamente progettata potrebbe effettivamente osservare questi cambiamenti dallo spazio e rivelare i segreti nascosti del ciclo dell'acqua.
GRACE misura i cambiamenti di massa attraverso i loro effetti sui satelliti gemelli in orbita uno dietro l'altro a circa 220 chilometri di distanza. I veicoli spaziali inviano costantemente impulsi a microonde l'uno all'altro e cronometrano l'arrivo dei segnali di ritorno, che si traduce nella distanza che separa i due satelliti. I cambiamenti nell'attrazione gravitazionale alterano leggermente quella distanza, di appena pochi micron di larghezza, questo è, una frazione del diametro di un capello umano. Il GPS tiene traccia di dove si trovano i veicoli spaziali rispetto alla superficie terrestre, e gli accelerometri di bordo registrano forze sul veicolo spaziale diverse dalla gravità, come la resistenza atmosferica e la radiazione solare. Gli scienziati elaborano tutti questi dati per produrre mappe mensili delle variazioni regionali della gravità globale e delle corrispondenti variazioni di massa superficiale.
"Quando la NASA ha selezionato questo complesso, missione di alta precisione per il lancio nell'ambito del suo programma Earth System Science Pathfinder e sono entrato nel progetto GRACE alla fine del secolo scorso come project manager GRACE di German, Ho pensato che fosse forse un po' improbabile che questo potesse mai funzionare e produrrebbe mai una serie così incredibile di mappe mensili del trasporto di massa globale, " ricorda Frank Flechtner (GFZ), l'attuale co-investigatore principale e successore dell'originale Co-PI ed ex direttore del dipartimento "Geodesy" di GFZ Christoph Reigber.
Flechtner attribuisce il successo della missione a una stretta e molto fluida collaborazione tra Stati Uniti e Germania tra la NASA, UTCSR, il Centro aerospaziale tedesco (DLR), Airbus Defence and Space a Friedrichshafen e GFZ. "È come se fossimo un'unica famiglia su entrambe le sponde dell'Atlantico".
I satelliti GRACE sono stati costruiti in Germania presso Airbus D&S sotto contratto del Jet Propulsion Laboratory (JPL) della NASA, Pasadena. Le operazioni della missione vengono eseguite presso il Centro operativo spaziale tedesco (GSOC) della DLR a Oberpfaffenhofen e la DLR si è procurata un "Rockot" russo come veicolo di lancio. GFZ fa parte del GRACE Science Data System con i partner di JPL e UTCSR e contribuisce alle operazioni di missione tramite la propria stazione di ricezione satellitare a Ny-Ålesund, Spitzberg, e fornendo il vice direttore delle operazioni di missione. Il finanziamento delle operazioni di missione di oggi è garantito congiuntamente da GFZ, Il programma di missione di terze parti di DLR e ESA.
Che cosa ha visto GRACE?
Nei 15 anni di attività di GRACE, ricercatori di istituzioni di tutto il mondo hanno sviluppato tecniche innovative per utilizzare il set di dati e combinarlo con altre osservazioni e modelli per nuove intuizioni sul sistema Terra. Ecco alcuni punti salienti.
Acqua sotterranea. L'acqua immagazzinata nel suolo e nelle falde acquifere al di sotto della superficie terrestre è misurata molto scarsamente in tutto il mondo. L'idrologo Matt Rodell del Goddard Space Flight Center della NASA, Cintura verde, Maryland, ha fatto la sua ricerca di dottorato sugli usi idrologici di GRACE. Rodell ha detto che nessuno immaginava prima del lancio che GRACE avrebbe rivelato l'esaurimento sconosciuto delle acque sotterranee, ma nell'ultimo decennio, Jay Famiglietti del JPL, Rodell e altri ricercatori hanno scoperto sempre più luoghi in cui gli esseri umani pompano le acque sotterranee più velocemente di quanto non vengano reintegrate. Nel 2015, Famiglietti e colleghi hanno pubblicato un sondaggio completo che mostra che un terzo dei più grandi bacini idrici sotterranei della Terra si sta rapidamente esaurindo.
I terreni asciutti possono aumentare il rischio di siccità o aumentare la durata di una siccità. Rodell e il suo team forniscono ogni settimana dati GRACE sull'umidità profonda del suolo e sulle acque sotterranee al monitor della siccità degli Stati Uniti, utilizzando un modello idrologico per calcolare come cambia l'umidità durante il mese tra una mappa e l'altra.
I sistemi di previsione delle alluvioni necessitano di informazioni in tempo quasi reale (NRT) per stimare la probabile generazione e lo sviluppo dell'evento alluvionale in termini di portata fluviale e stadio di piena con tempi di consegna tipici di pochi giorni per i bacini fluviali più grandi. Il servizio europeo di gravità per una migliore gestione delle emergenze (EGSIEM), finanziato dall'UE, ha sviluppato tali prodotti di gravità NRT giornalieri e i corrispondenti indicatori di alluvione da utilizzare all'interno del Centro per le informazioni di crisi satellitare del DLR in un test operativo a partire dal 1 aprile.
Lastre di ghiaccio e ghiacciai. L'Antartide è, mani giù, il peggior posto al mondo per raccogliere dati, e la Groenlandia non è molto indietro. Tuttavia, abbiamo bisogno di sapere quanto velocemente si stanno sciogliendo queste calotte glaciali per comprendere la velocità e le variazioni dell'innalzamento del livello del mare in tutto il mondo. Gli scienziati che studiano la criosfera sono stati tra i primi a iniziare a lavorare con i dati GRACE per estrarre le informazioni di cui avevano bisogno. Le perdite di ghiaccio dalla Groenlandia e dall'Antartide sono state notevolmente maggiori di quanto precedentemente stimato utilizzando le stime dell'altezza variabile delle calotte glaciali e altri tipi di dati. Dal lancio di GRACE, le sue misurazioni mostrano che la Groenlandia ha perso in media circa 280 gigatoni di ghiaccio all'anno, e l'Antartide un po' meno di 120 gigatonnellate all'anno. Gli scienziati di GFZ Ingo Sasgen (ora presso l'Alfred-Wegener-Institute di Bremerhaven) e Henryk Dobslaw sono stati inoltre in grado di mettere in relazione le variazioni interannuali della caduta di neve e quindi l'accumulo di massa nella Penisola Antartica, come monitorato da GRACE, alla forza di un sistema di bassa pressione atmosferica situato sul mare di Amundsen. Poiché quel sistema a bassa pressione è di per sé particolarmente forte durante le condizioni tropicali di La Nina, i dati GRACE hanno permesso per la prima volta di quantificare l'efficacia di un processo di teleconnessione atmosferica che lega il clima tropicale anche a regioni molto remote e piuttosto isolate come l'Antartide. Ci sono indicazioni che entrambi i tassi di fusione siano in aumento.
Ma anche per i ghiacciai interni, GRACE fornisce prove su larga scala per la rapida perdita di massa di ghiaccio in molte aree montuose in tutto il mondo, mettendo a rischio l'approvvigionamento idrico a lungo termine nelle loro aree circostanti. Per l'Asia centrale, un team di ricerca internazionale guidato dai ricercatori GFZ Daniel Farinotti e Andreas Güntner ha stimato dai dati GRACE che attualmente il Tien Shan sta perdendo ghiaccio a un ritmo che è circa il doppio del consumo annuale di acqua dell'intera Germania. Combinando questo con la modellazione glaciologica, stimano che la metà del volume totale del ghiaccio glaciale presente oggi nel Tien Shan potrebbe andare persa entro il 2050. Vedi qui per il comunicato stampa in inglese.
Dinamiche oceaniche. Il livello del mare si sta alzando mentre il ghiaccio si scioglie e l'acqua del mare si riscalda e si espande. Gli scienziati hanno un preciso, misurazione continua dell'altezza del livello del mare in tutto il mondo a partire dal 1992 con la missione NASA-Francese Topex-Poseidon e proseguendo attraverso la serie di missioni Jason. Le misurazioni del livello del mare dell'altimetro, però, vedere solo l'effetto completo dei cambiamenti di altezza dell'oceano dovuti a entrambi, la temperatura dell'oceano e l'aggiunta di acqua attraverso lo scioglimento del ghiaccio e il deflusso della terra. Per avere una visione approfondita di quali processi sono alla base di questi cambiamenti, gli scienziati devono esaminare le cause:l'oceano si sta principalmente riscaldando o c'è più acqua aggiunta agli oceani? Con GRAZIA, siamo in grado di distinguere tra ridistribuzione della massa d'acqua e variazioni di temperatura. Inga Bergmann di GFZ ha dimostrato che GRACE è in grado di monitorare le variazioni temporali del trasporto di massa d'acqua nella corrente circumpolare antartica fino a periodi anche sub-mensili, fornendo così una visione su larga scala molto migliore sulla dinamica della corrente oceanica più forte sulla Terra rispetto a quanto precedentemente disponibile dai dati oceanografici in situ.
La Terra Solida cambia. Anche il mantello viscoso sotto la crosta terrestre si muove leggermente in risposta ai cambiamenti di massa dell'acqua vicino alla superficie. GRACE ha una comunità di utenti che stanno calcolando questi cambiamenti per la loro ricerca. Gli scienziati del JPL Surendra Adhikari ed Erik Ivins hanno recentemente utilizzato i dati GRACE per calcolare come non solo la perdita della calotta glaciale ma l'esaurimento delle acque sotterranee abbiano effettivamente modificato la rotazione della Terra mentre il sistema si adatta a questi movimenti di massa.
I pianificatori di GRACE non avevano molte speranze che la misurazione della missione potesse essere utilizzata per individuare i bruschi cambiamenti di massa associati ai terremoti a causa della differenza di scala:i terremoti sono improvvisi e locali, mentre le mappe mensili di GRACE hanno in media un'area grande il doppio della Baviera e un intero mese di tempo. Però, ideando nuove tecniche di elaborazione e modellazione dei dati, i ricercatori hanno trovato un modo per isolare gli effetti del terremoto. "Siamo in grado di misurare lo spostamento di massa istantaneo in un terremoto, e abbiamo scoperto che c'è un rilassamento molto misurabile che dura uno o due mesi dopo il terremoto, " ha detto Tapley. Queste misurazioni forniscono informazioni senza precedenti su ciò che sta accadendo molto al di sotto della superficie terrestre.
Suono atmosferico. L'obiettivo scientifico secondario della missione GRACE è quello di ottenere circa 150 profili di temperatura e umidità verticali dell'atmosfera molto precisi distribuiti a livello globale al giorno utilizzando la tecnica di occultazione radio GPS (RO). "Queste misurazioni sono di estremo interesse per i servizi meteorologici e gli studi relativi ai cambiamenti climatici. Pertanto, forniamo questi profili 24 ore su 24, 7 giorni su 7, con un massimo di due ore dopo la misurazione a bordo dei satelliti ai principali centri meteorologici del mondo, per esempio., ECMWF (Centro europeo per le previsioni meteorologiche a medio termine), MetOffice, MeteoFrancia, NCEP (Centri nazionali per la previsione ambientale) o DWD (Deutscher Wetterdienst) per migliorare le loro previsioni globali", ha affermato Jens Wickert, Responsabile RO di GFZ.
Il futuro
A 15 anni, GRACE è durato tre volte il tempo originariamente previsto. I project manager hanno fatto tutto il possibile per prolungarne la vita, ma la navicella finirà presto il carburante, probabilmente quest'estate. NASA e GFZ stanno lavorando dal 2012 su una seconda missione GRACE chiamata GRACE Follow-On, con la Germania che si è nuovamente procurata il veicolo di lancio, operazioni di missione e i due satelliti costruiti nuovamente presso Airbus D&S in Germania.
Il lancio di GRACE-FO è previsto tra dicembre 2017 e febbraio 2018. La nuova missione si concentra sulla continuazione del record di dati di successo di GRACE. I nuovi satelliti utilizzano hardware simile a GRACE e trasporteranno anche un dimostratore tecnologico che utilizza un nuovo interferometro laser (LRI) per tracciare la distanza di separazione tra i satelliti. LRI è uno sviluppo congiunto USA/Germania e ha il potenziale per produrre una misurazione inter-satellite ancora più accurata e la risultante mappa della gravità.
Con GRACE-FO per continuare l'eredità rivoluzionaria, ci saranno sicuramente scoperte più innovative in arrivo. Più importante, anche se, gli scienziati possono continuare a monitorare i cambiamenti nella nostra preziosa risorsa idrica globale.