Редакция «Вестника» продолжает рассказывать о самых современных методах спутниковой геодезии. На этот раз мы обратились к профессору Франку Флештнеру, отвечающему за научную часть спутниковой миссии GRACE и GRACE-FO. Профессор Флештнер рассказал о некоторых результатах научного эксперимента для нас и наших читателей.
Профессор Флештнер – один из самых авторитетных специалистов по гравиметрии, моделированию гравитационного поля Земли, разработкам в области проектирования спутниковых систем.
Франк Флештнер – лауреат премии Вернера фон Брауна, лауреат премий NASA за выдающиеся достижения в области космической геодезии, член Международной ассоциации геодезии (IAG). В Потсдамском центре им. Гельмгольца (GMZ) профессор возглавляет работы по глобальному геомониторингу.
GRACE (англ. Gravity Recovery And Climate Experiment) – совместная спутниковая миссия NASA и Германского центра авиации и космонавтики, направленная на изучение гравитационного поля Земли и его временных вариаций, связанных, в частности, с процессами изменения климата.
Интервью печатается на русском и английском языке.
- По данным GRACE была построена наиболее точная на данный момент карта глобального гравитационного поля Земли. Что дали эти высокоточные измерения в практическом и теоретическом смысле?
Результаты измерений дают ценную информацию о различных явлениях, связанных с глобальным переносом в системе Земля, например с изменениями в континентальном гидрологическом цикле (истощением подземных вод, наводнениями или засухой). Таяние льда в полярных регионах и крупных ледниковых системах или при повышении уровня моря – данные GRACE позволили понять и эти процессы.
- Уточните насколько существенны антропогенные влияния, связанные, скажем, с разработкой недр, с теми изменениями гравитационного поля, которые были зарегистрированы миссией GRACE?
В статье Маттео Роделла и др., опубликованной в 2018 году, даётся количественная оценка 34 тенденций в области накопления подземных вод, наблюдаемых GRACE за период с 2002 по 2016 год, и их движущие силы классифицируются либо как естественная межгодовая изменчивость, либо как явления, вызванные неустойчивым потреблением подземных вод, изменением климата или сочетанием этих факторов. Часть этих трендов недостаточно изучены, но классифицированы по этим признакам. К таковым относятся массовые гидрологические изменения северо-западной части Китая, изменения одной из самых больших речных дельт реки Окаванго на юге Африки.
Водный ландшафт мира реагирует на антропогенное воздействие и климатические изменения, и проведённые исследования это показывают. Всё это является основой для оценки и прогнозирования вызовов, связанных и с нашей продовольственной безопасностью.
- Как, по вашему мнению, гравитационное поле Земли влияет на климат?
Моё личное мнение сводится к тому, что мы видим много свидетельств этому. Например, GRACE-FO измерила рекордную потерю массы в Гренландии в 2019 году (– 532 ± 58 Гт), что является беспрецедентным за период наблюдений с 1948 по 2019 год. Или в период 2003–2016 годов GRACE зафиксировала среднюю потерю льда в размере – 235 ± 29 Гт в год, что делает одну только Гренландию крупнейшим фактором, способствующим современному повышению уровня моря – порядка 10 мм за 14-летний период.
- Гравитационные аномалии, связанные с антропогенным фактором, учитываются в современных климатических моделях?
Гренландия теряет значительно большую массу, чем прогнозировалось в пятом оценочном докладе МГЭИК, в то время как Антарктика находится в нижней части прогнозов климатической модели. Проблема, лежащая в основе прогнозов, заключается в следующем:
а) нам нужны данные GRACE-FO для получения новых знаний для целей более эффективного моделирования и понимания процессов;
b) нам также нужны данные GRACE-FO для валидации и проверки прогнозов, сделанных с помощью наших моделей.
- Удалось ли проекту GRACE зафиксировать то, что происходит в земной коре за день или неделю до каких-либо крупных сейсмических событий?
При нынешней концепции спутниковой системы, когда спутниковая пара висит на высоте 490 км, это невозможно. Можно отслеживать только сопутствующие и постсейсмические события крупных землетрясений. Дальнейшее развитие спутниковых методов, когда будет задействовано несколько пар спутников, летящих на более низких высотах, может позволить детектировать предвестники сейсмических событий.
- Не могли бы Вы уточнить характеристики лазерного интерферометра (LRI), работающего в рамках миссии GRACE-FO? Какова точность сканирования?
LRI – это техническая демонстрация возможностей будущих гравитационных миссий. Заявленная цель LRI – точность порядка 300 нм/кв. т (Гц), реальная же возможность – <10 нм/кв. т (Гц).
- Спутниковые измерения проводятся на большой высоте над поверхностью суши, и попытки редуцировать их вниз упираются в некорректную обратную задачу гравиметрии, не имеющую строгого решения. Как вам удаётся обрабатывать и проводить столь ёмкие вычисления и достигать при этом столь высоких точностей?
В моём институте, а также у наших партнёров в США мы используем так называемый динамический подход, который требует хороших знаний о гравитационных и негравитационных фоновых моделях, например о приливных и неприливных изменениях массы в атмосфере и океанах или точных измерениях негравитационных сил, таких как сопротивление воздуха или солнечное излучение, действующих на орбиту спутника. Если у нас есть такие модели, то мы всё ещё должны пересчитать модели гравитационного поля 2-го уровня с точки зрения сферического гармонического разложения до данных 3-го уровня по сетке. Здесь мы должны сделать много дополнительных поправок, например ввести коэффициенты замещения, которые не могут быть измерены GRACE (например, коэффициент сплющивания C20). Для оптимального разделения сигнала и шума в данных GRACE/GRACE-FO 2-го уровня необходима фильтрация.
Благодаря траектории полярных орбит GRACE и GRACE-FO гравитационные поля обнаруживают значительно выраженные анизотропные характеристики погрешности. Также необходимо добавить фоновые модели, примером которых является глобальная изостатическая корректировка.
- Вы работали с российскими учёными или исследовательскими центрами?
В 1993–94 годах я работал с коллегами из России, когда мы задействовали систему наблюдения PRARE (Precise Range Аnd Range-rate Equipment) на борту российского метеорологического спутника «Метеор-3».
А в 1995 году мы запустили со станции «Мир» лазерный ретрорефлектор (радиусом 10 см). Запуск GRACE был осуществлён с ракетоносителем «Роккот» из Плесецка в 2000 году, а запуск GRACE-FO планировался в 2017 году с космодрома «Ясный» ракетоносителем «Днепр». К сожалению, по политическим причинам это оказалось невозможным.
Интервью подготовил Максим Тужиков
Prof. Frank Flechtner is talking on the GRACE mission exclusively for the “Vestnik”. We go on telling you about the modern methods of satellite surveying.
This time we are addressing Professor Frank Flechtner who is responsible for the scientific part of the satellite missions GRACE and GRACE-FO. Professor Flechtner informed us and our readers on some results of the mentioned missions.
Professor Flechtner is one of the most reputable specialist in the field of gravimetry, modelling the Earth’s gravitation field and developments in designing satellite systems. Frank Flechtner is Werner von Braun Prize Winner and a laureate of Nasa prizes for outstanding achievements in the field of space Geodesy, Mr. Flechtner is the IAG (Internatiomnal Association of Geodesists) member. In Helmholtz Centre (GMZ), Potsdam, Germany, the Professor heads the works on global geodetic monitoring.
GRACE (Gravity Recovery And Climate Experiment) is a co-operative satellite mission of NASA and the German Aviation-and-Space Centre aimed at studying the Earth’s gravitation field, its variability in time, partly connected with climate change processes.
The most accurate for the present time global map of the gravitational field was built on GRACE data. What did these high-precision measurements give in a practical and theoretical sense?
They provide a valuable insight in various phenomena related to mass transport in the Earth’s system, e.g. changes in the continental hydrological cycle (groundwater depletion, floods, and droughts), ice melting in polar regions and large glacier systems or sea level rise.
Please specify if there is a significant correlation of anthropogenic influences associated with the development of subsoil, concerning with those changes in the gravitational field that registered by the GRACE mission?
There is a paper by Rodell et al. (2018) quantifying 34 trends in terrestrial water storage observed by GRACE during 2002–2016 and categorizes their drivers as natural interannual variability, unsustainable groundwater consumption, climate change or combinations thereof. Several of these trends had been lacking thorough investigation and attribution, including massive changes in northwestern China and the Okavango Delta. Others are consistent with climate model predictions. This observation-based assessment of how the world’s water landscape is responding to human impacts and climate variations provides a blueprint for evaluating and predicting emerging threats to water and food security.
In your opinion, how does the Earth's gravitational field affect the climate?
My personal view is that we see many indicators that climate changes, e.g. GRACE-FO measured record Greenland mass loss in 2019 (–532 ± 58 Gt), which is unprecedented in the 1948-2019 period. Or between 2003–2016, GRACE detected an average ice loss of –235 ± 29 Gt per year, making Greenland the largest single contributor to contemporary sea-level rise (10 mm in 14-year time period).
Please specify if gravitational anomalies associated with anthropogenic factors are taken into account in modern climate models?
Greenland is losing significantly more mass than projected in IPCC AR5, while Antarctica is at the lower end of the climate model projections. The problem behind is as follows a) we need GRACE/FO data to gain new insights to better model the system (process understanding) and b) we also need GRACE/FO data for initialization/calibration/validation of model projections.
Did the GRACE project manage to record what is happening in the Earth's crust a day or a week before any major seismic events?
With the current concept (1 single pair at 490 km altitude) this is not possible. Only co- and post-seismic events of large earthquakes can be monitored. Future concepts with e.g. 2 pairs flying on lower altitudes might change this.
Could you clarify the characteristics of the laser interferometer operating within the GRACE-FO mission? What is the scanning accuracy carried out?
The LRI is a tech demo for future gravity missions. The LRI precision goal was 300 nm/sqrt(Hz), the actual capability is <10nm/sqrt(Hz)
Satellite measurements sometimes run into an incorrect inverse problem of gravimetry which does not have a rigorous solution. How do you manage to process and carry out calculations, and at the same time achieve such high accuracy?
At my institute (and also at our partners in the US) we use the so called dynamic approach which needs good knowledge about gravitational and non-gravitational background models, e.g. tidal and non-tidal mass variations in the atmosphere and in the oceans or precise measurements of non-gravitational forces such as air drag or solar radiation acting on the satellite orbit. If having those we still have to postprocess the Level-2 gravity field models in terms of spherical harmonic expansion to Level-3 gridded data. Here we have to make a lot of additional corrections, e.g. substitute coefficients which cannot be measured by GRACE (e.g.the flattening coefficient C20). In order to separate signal and noise in the GRACE/GRACE-FO Level-2 data optimally, filtering is necessary. Due to the observation geometry with its pure along-track ranging on polar orbits GRACE and GRACE-FO gravity fields reveal highly anisotropic error characteristics. Also background models which have not to be taken into account during Level-2 product generation need to be added. An example is Global Isostatic Adjustment.
Have you ever worked with the Russian scientists or research centers? If yes, could you please give any examples of significant projects?
In 1993–94 I have worked with colleagues from Russia to demonstrate a microwave tracking system called PRARE (Precise Range and Range-rate Equipment) onboard of METEOR-3/7, a Russian meteorological satellite. Also we “launched” a small cannon ball laser retroreflector satellite (10 cm radius) from the MIR station in 1995. The GRACE mission was launched with a ROCKOT from Plesetsk in 2000 and GRACE-FO was planned to be launched in 2017 with a DNEPR from Yasny. Unfortunately, due to political reasons this was not possible.