Спутниковая миссия GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment), направленная на изучение гравитационного поля Земли и его временных вариаций, связанных, в частности, с процессами изменения климата, продолжалась более 15 лет и обогатила науку самыми точными измерениями, продолжая расширять наши представления о планетарных процессах.
По данным GRACE была построена наиболее точная на данный момент карта глобального гравитационного поля Земли. Эксперимент GRACE предоставил исследователям значительный объём информации, который послужил источником для большого количества публикаций в научных журналах.
Учёные часто называют спутники GRACE «Том и Джерри», потому что, как и герои одноимённого мультфильма, они постоянно преследуют друг друга, перемещаясь вокруг Земли по одной и той же орбите. С момента запуска с российского космодрома в Плесецке два спутника облетели Землю более 70000 раз на высоте от 450 до 500 км и дистанции 220 км, непрерывно собирая данные измерений.
Гравитация – это климат
Таяние ледников Гренландии измерено с высокой точностью. По данным спутников-близнецов GRACE были созданы изображения с высокой детализации, которые определили пространственно-временную ледниковую динамику из космоса. Так, за период наблюдений ледниковый покров Гренландии терял 240 гигатонн своей массы каждый год, что привело к повышению уровня моря примерно на 0,7 мм в год.
Такие выводы стали возможны благодаря высокоточным измерениям GRACE. Обсчитанные данные дали возможность создать не имеющую аналогов визуализацию гравитационного поля.
«Если ледяная масса Гренландии изменится, то сила притяжения там также изменится»,– объясняет профессор Франк Флехтнер из Центра Гельмгольца в Потсдаме (GFZ), повторяя слова и закон Ньютона, по которому притяжение тела напрямую зависит от его массы. «Таким образом, измерения гравитационного поля GRACE дали нам информацию об изменениях массы, в том числе вызванных климатом», – констатирует Флехтнер.
Неравномерное распределение массы внутри нашей планеты означает, что Земля имеет неправильную форму. Колебания гравитационного поля, которые детектированы спутниковыми сенсорами, связаны с различными глобальными процессами на Земле и в космосе, в частности с перераспределением масс в годовом цикле.
Измерения и дальнейшие вычисления позволили создать точную модель геоида, которая значительно отличается от сферической формы. Так называемый «Потсдамский картофель» получил мировое признание. Но и эта форма «картофеля» со временем может меняться.
Во время последнего ледникового периода Северную Америку и Скандинавию покрыл слой льда толщиной в километр. С тех пор как эти ледяные массы растаяли, земная кора, освобождённая от ледяной нагрузки, продолжает подниматься, а это означает, что масса меняется в мантии Земли. Удивительно, но ледниковый период продолжает оказывать влияние на современный климат, что также было зафиксировано миссией GRACE.
Измерения гравитационного поля – на волоске
Основная научная цель миссии GRACE – измерить гравитационное поле Земли и его временные изменения в глобальном масштабе с беспрецедентной точностью. Если бы Земля была сферой с однородной структурой, два спутника вращались бы вокруг Земли по точным эллиптическим орбитам.
«И наоборот, анализ орбит позволяет нам вывести нерегулярную структуру гравитационного поля Земли», – объясняет профессор Флехтнер, добавляя, что для этого необходимо с высокой точностью измерять орбиты спутников.
Каждый из спутников GRACE был оснащён GPS-приемником для определения местоположения, акселерометром для коррекции разрушающих сил остаточной атмосферы и солнечной радиации и двумя датчиками для определения положения спутника в космосе. Центральным элементом спутниковой системы являлась сверхточная система измерения расстояния, позволявшая непрерывно измерять дистанцию между двумя спутниками с точностью порядка 10 микрон, что тоньше десятой доли волоса.
Учёные GFZ выводят гравитационное поле Земли из разницы расстояний между двумя спутниками. Каждые 30 дней пара спутников пролетала над каждым участком Земли, собирая достаточно данных для создания глобальной карты. Это ежемесячное измерение силы тяжести как минимум в 100 раз точнее, чем любая другая предыдущая модель, и поэтому оно так ценно для исследований и международного сообщества.
«Многие климатические процессы нашей планеты сопровождаются масштабными перераспределениями водных масс, которые влияют на гравитационное поле Земли», – добавляет Флехтнер. Как уже следует из названия миссии, впервые стало возможным наблюдать и анализировать многочисленные процессы, связанные с климатом, на основе ежемесячных моделей гравитационного поля. Следует упомянуть, что миссия GRACE производила наблюдения за сезонными изменениями в бассейнах крупных рек и искусственных водохранилищ.
Количественная оценка уменьшения или увеличения массы льда и снега в полярных районах позволила подтвердить их тесную связь с таким климатическим явлением, как Эль-Ниньо, а также оценить характер осадков в Антарктиде при уменьшающейся массе ледников. Это дало нам возможность лучше понять, как происходит глобальная циркуляция океана, уточнить наши модели переноса тепла от экватора к полюсам.
Ещё один из результатов миссии GRACE – 150 вертикальных профилей температуры и водяного пара на основе данных GPS ежедневно. Эти данные поступали в GFZ (Шпицберген) и предоставлялись в метеорологические центры каждые два часа для улучшения глобальных прогнозов. Кроме того, эти данные используются для исследования климатических изменений в атмосфере Земли.
GRACE – совместный проект Немецкого аэрокосмического центра (DLR) и NASA. Научная часть программы от немецкой стороны выполнялась исследователями GFZ. Спутниковый эксперимент продолжается сегодня в рамках проекта GRACE-FO, о результатах которого мы в скором времени расскажем!
Статья подготовлена по официальным данным Потсдамского центра им. Гельмгольца