Il 17 marzo 2002, il tedesco-statunitense Il duo satellitare GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) è stato lanciato per mappare il campo gravitazionale globale con una precisione senza precedenti. La missione è durata 15 anni, più di tre volte il tempo previsto. Quando i due satelliti sono bruciati nell'atmosfera terrestre alla fine del 2017 e all'inizio del 2018, avevano registrato il campo gravitazionale terrestre ei suoi cambiamenti per più di 160 mesi.

Questa cosiddetta gravimetria satellitare risolta nel tempo rende possibile, tra l'altro, monitorare il ciclo idrico terrestre, il bilancio di massa delle calotte glaciali e dei ghiacciai, e il cambiamento del livello del mare, e quindi per comprendere meglio i meccanismi del sistema climatico globale, valutare con precisione importanti tendenze climatiche, e prevedere le possibili conseguenze.

Una recensione sul giornale Cambiamenti climatici naturali ora presenta punti salienti nel campo della ricerca sul clima sulla base delle osservazioni GRACE.

Lastre di ghiaccio e ghiacciai

GRACE ha prodotto la prima misurazione diretta della perdita di massa di ghiaccio da calotte glaciali e ghiacciai. In precedenza, era stato possibile stimare le masse e le loro variazioni solo con metodi indiretti. Nei primi due anni della missione, era già possibile osservare chiari segnali di perdita di massa di ghiaccio in Groenlandia e in Antartide. I dati misurati hanno mostrato che il 60 percento della perdita di massa totale è dovuta a una maggiore produzione di fusione in risposta alle tendenze del riscaldamento dell'Artico, mentre il 40% è dovuto ad un aumento del flusso di ghiaccio nell'oceano. Secondo i dati GRACE, tra aprile 2002 e giugno 2017, La Groenlandia perde circa 260 miliardi di tonnellate di ghiaccio all'anno, Antartide circa 140 miliardi di tonnellate. Oltre alle tendenze a lungo termine, i dati del campo gravitazionale forniscono anche prove degli effetti diretti di fenomeni climatici globali come El Niño sulle calotte glaciali e sui ghiacciai di tutto il mondo.

Stoccaggio dell'acqua terrestre

Tra i contributi di maggior impatto della missione GRACE c'è stata la scoperta del mutevole paesaggio d'acqua dolce della Terra, che ha profonde implicazioni per l'acqua, cibo e sicurezza umana. Le stime globali delle tendenze GRACE suggeriscono un aumento dello stoccaggio dell'acqua alle alte e basse latitudini, con minore spazio di archiviazione alle medie latitudini. Sebbene il record di GRACE sia relativamente breve, questa osservazione di cambiamenti su larga scala nel ciclo idrologico globale è stata un'importante prima conferma dei cambiamenti previsti dai modelli climatici nel corso del 21° secolo.

L'analisi dei dati GRACE ha anche aiutato i ricercatori a valutare il livello del mare in modo più accurato, poiché lo stoccaggio di acqua dolce a terra è legato al livello del mare da vari meccanismi. Le analisi dei dati GRACE hanno consentito di effettuare le prime stime in assoluto dei cambiamenti di stoccaggio delle acque sotterranee dallo spazio. Confermano tassi eccessivi di esaurimento delle acque sotterranee da singoli acquiferi in tutto il mondo. I dati sullo stoccaggio dell'acqua terrestre hanno inoltre contribuito alla validazione e calibrazione di diversi modelli climatici.

Cambiamento del livello del mare e dinamiche oceaniche

Entro questo secolo, l'innalzamento del livello del mare potrebbe accelerare fino a 10 millimetri all'anno, un tasso senza precedenti negli ultimi 5000 anni, e una conseguenza profonda e diretta di un clima di riscaldamento. Dall'inizio degli anni '90 sono disponibili misurazioni del livello del mare ad alta precisione, ma mostrano solo il cambiamento assoluto del livello del mare. Nei 25 anni tra il 1993 e il 2017, il livello del mare è aumentato in media di 3,1 millimetri all'anno.

Per scoprire come l'espansione termica, lo scioglimento del ghiaccio e l'afflusso continentale di acqua influenzano ciascuno il livello del mare, è necessario studiare la distribuzione della massa dell'acqua. GRACE ha dimostrato che 2,5 millimetri dell'innalzamento medio annuo del livello del mare di 3,8 millimetri tra il 2005 e il 2017 sono causati dall'afflusso di acqua o altra massa e 1,1 millimetri dall'espansione termica dell'acqua. Risolvere questa composizione è importante per le proiezioni sul livello del mare.

I dati GRACE forniscono un vincolo al cambiamento di massa oceanica, e quindi indirettamente sullo squilibrio energetico della Terra, che è una metrica globale fondamentale del cambiamento climatico. GRACE ha dimostrato che la maggior parte del riscaldamento rilasciato dall'aumento della temperatura si verifica nei 2000 metri superiori degli oceani, quali sono i più importanti dispersori energetici del cambiamento climatico. GRACE contribuisce anche a una migliore comprensione delle dinamiche e dell'impatto delle correnti oceaniche, in particolare per l'Oceano Artico.

Applicazioni dei servizi climatici

I dati del campo gravitazionale dei satelliti GRACE hanno migliorato il monitoraggio della siccità degli Stati Uniti. Ciò aiuta le autorità statunitensi a reagire alla siccità in modo tempestivo e ragionevole. Con l'European Gravity Service per una migliore gestione delle emergenze (EGSIEM), l'Unione Europea ha promosso un servizio volto a identificare il prima possibile i rischi di alluvione regionali. Tra aprile e giugno 2017, si sono svolte prove con dati storici sulle inondazioni, dimostrando che gli indicatori di umidità per i grandi bacini fluviali determinati da GRACE possono migliorare le previsioni del Mississippi o del Danubio, Per esempio. I risultati attuali mostrano anche che i dati GRACE possono essere utilizzati per prevedere in modo più accurato il rischio di incendi stagionali.

La GFZ ha operato la missione GRACE insieme al Centro aerospaziale tedesco (DLR), e dalla parte degli Stati Uniti con il NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL). A maggio 2018, le parti interessate hanno lanciato la missione di follow-up, GRACE Proseguimento (GRACE-FO). Le prime mappe mensili del campo gravitazionale dovrebbero essere disponibili per gli utenti internazionali entro la fine di luglio di quest'anno. Difficoltà impreviste hanno ritardato la presentazione dei prodotti. "Il motivo è stato il guasto di un'unità di controllo sul secondo satellite GRACE-FO, " spiega Frank Flechtner di GFZ. "Ciò ha reso necessario passare all'unità sostitutiva installata per tali scenari. Ma ora, con GRACE-FO, una registrazione lunga più di due decenni dei cambiamenti di massa nel sistema Terra è a portata di mano".

Contesto:Il peso dell'acqua

Maggiore è la massa di un oggetto, maggiore è la sua attrazione gravitazionale. Per esempio, le Alpi esercitano un'attrazione gravitazionale maggiore rispetto alle pianure della Germania settentrionale. Quando i satelliti orbitano attorno alla Terra e sorvolano una regione enorme, accelerano minimamente quando si avvicinano e rallentano quando volano via.

Una piccola parte della gravitazione che emana dalla Terra si basa sull'acqua sopra o vicino alla superficie negli oceani, fiumi, laghi, ghiacciai e sotterranei. Quest'acqua reagisce alle stagioni, tempeste, siccità o altri effetti atmosferici. GRACE ha approfittato dello spostamento di massa dell'acqua registrando il suo effetto sul duo di satelliti che orbitava intorno alla Terra per 220 chilometri di fila. Le microonde sono state utilizzate per misurare la loro distanza. Questa distanza è cambiata nel tempo a causa dello spostamento di massa sulla Terra. Dai dati, i ricercatori hanno quindi calcolato mappe mensili dei cambiamenti regionali nell'attrazione gravitazionale terrestre e dei cambiamenti causali nelle masse sulla superficie.