"Revolucionario" es una palabra que se escucha a menudo cuando la gente habla de la misión GRACE. Desde que se lanzaron los satélites gemelos del Experimento de Clima y Recuperación de Gravedad Alemana (GRACE) de la NASA el 17 de marzo, 2002, sus datos han transformado la visión de los científicos sobre cómo se mueve y se almacena el agua en todo el planeta. "GRACE permitió rastrear el movimiento del agua a través de su masa, un campo que no estaba disponible en la teledetección espacial y que abrió nuevas opciones para monitorear y cuantificar el cambio climático, "dijo Reinhard Hüttl, el Presidente del Consejo y Director Ejecutivo Científico del Centro Helmholtz de Potsdam - Centro Alemán de Investigación de Geociencias GFZ.

Como muchas otras revoluciones, GRACE comenzó con una idea radical. El investigador principal Byron Tapley (Centro de Investigación Espacial de la Universidad de Texas (UTCSR) en Austin) dijo:"La idea completamente nueva sobre GRACE era la percepción de que medir y rastrear la masa te da una forma de sondear el sistema de la Tierra". Medir los cambios en la masa ha sido clave para descubrir cómo el agua y la Tierra sólida están cambiando en lugares donde los humanos no pueden ir y no pueden ver.

El peso del agua

Cuanto mayor es la masa de un objeto, cuanto mayor sea su atracción gravitacional. Por ejemplo, los Alpes ejercen más fuerza gravitacional que la llanura del norte de Alemania. Los humanos no notan la pequeña diferencia pero los satélites lo hacen. Mientras orbita la Tierra, los satélites aceleran muy levemente a medida que se acercan a una característica masiva y disminuyen la velocidad a medida que se alejan.

La gran mayoría de la atracción gravitacional de la Tierra se debe a la masa del interior de la Tierra. Una pequeña parte, sin embargo, se debe al agua en o cerca de la superficie de la Tierra. El océano, ríos Los glaciares y el agua subterránea cambian mucho más rápidamente que el interior de la Tierra, responder a los cambios de estación y a las tormentas, sequías y otros efectos meteorológicos y climáticos. GRACE surgió del reconocimiento de que una misión especialmente diseñada podría observar estos cambios desde el espacio y revelar los secretos ocultos del ciclo del agua.

GRACE mide los cambios en la masa a través de sus efectos en los satélites gemelos que orbitan uno detrás del otro a unos 220 kilómetros de distancia. Las naves espaciales emiten constantemente pulsos de microondas entre sí y cronometran la llegada de las señales de retorno, lo que se traduce en la distancia que separa los satélites gemelos. Los cambios en la atracción gravitacional alteran esa distancia muy levemente, por tan solo unas pocas micras de ancho, es decir, una fracción del diámetro de un cabello humano. El GPS realiza un seguimiento de dónde se encuentran las naves espaciales en relación con la superficie de la Tierra, y los acelerómetros a bordo registran las fuerzas en la nave espacial distintas de la gravedad, como el arrastre atmosférico y la radiación solar. Los científicos procesan todos estos datos para producir mapas mensuales de las variaciones regionales en la gravedad global y las correspondientes variaciones de masa superficial.

"Cuando la NASA seleccionó este complejo, misión de alta precisión para su lanzamiento bajo su programa Earth System Science Pathfinder y entré en el proyecto GRACE a fines del siglo pasado como gerente del proyecto GRACE de German. Pensé que tal vez era un poco improbable que esto pudiera funcionar alguna vez y que alguna vez produciría una serie de mapas mensuales tan larga e increíble de mapas mensuales del transporte masivo global, "recuerda Frank Flechtner (GFZ), el actual co-investigador principal y sucesor del Co-PI original y ex director del Departamento de "Geodesia" de GFZ, Christoph Reigber.

Flechtner atribuye el éxito de la misión a una estrecha colaboración y muy fluida colaboración entre Estados Unidos y Alemania entre la NASA, UTCSR, el Centro Aeroespacial Alemán (DLR), Airbus Defence and Space en Friedrichshafen y GFZ. "Es como si fuéramos una familia a ambos lados del Atlántico".

Los satélites GRACE fueron construidos en Alemania en Airbus D&S bajo contrato del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA (JPL), Pasadena. Las operaciones de la misión se llevan a cabo en el Centro Alemán de Operaciones Espaciales (GSOC) de DLR en Oberpfaffenhofen y DLR adquirió un "Rockot" ruso como vehículo de lanzamiento. GFZ es parte del Sistema de Datos Científicos GRACE con socios en JPL y UTCSR y está contribuyendo a las operaciones de la misión a través de su propia estación de recepción satelital en Ny-Ålesund. Spitzbergen, y proporcionar el subdirector de operaciones de la misión. La financiación de las operaciones de la misión de hoy está asegurada conjuntamente por GFZ, Programa de misiones de terceros de DLR y ESA.

¿Qué ha visto GRACE?

Durante los 15 años de funcionamiento de GRACE, Investigadores de instituciones de todo el mundo han desarrollado técnicas innovadoras para utilizar el conjunto de datos y combinarlo con otras observaciones y modelos para obtener nuevos conocimientos sobre el sistema terrestre. Aquí hay algunos puntos destacados.

Aguas subterráneas. El agua almacenada en el suelo y los acuíferos debajo de la superficie de la Tierra se mide muy escasamente en todo el mundo. El hidrólogo Matt Rodell del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA, Cinturón verde, Maryland, hizo su investigación doctoral sobre los usos hidrológicos de GRACE. Rodell dijo que nadie adivinó antes del lanzamiento que GRACE revelaría un agotamiento desconocido del agua subterránea, pero durante la última década, Jay Famiglietti de JPL, Rodell y otros investigadores han encontrado cada vez más lugares donde los seres humanos están bombeando el agua subterránea más rápido de lo que se repone. En 2015, Famiglietti y sus colegas publicaron una encuesta exhaustiva que muestra que un tercio de las cuencas de agua subterránea más grandes de la Tierra se están agotando rápidamente.

Los suelos secos pueden aumentar el riesgo de sequía o aumentar la duración de una sequía. Rodell y su equipo proporcionan datos GRACE sobre la humedad del suelo profundo y el agua subterránea al Monitor de sequía de EE. UU. Cada semana. utilizando un modelo hidrológico para calcular cómo cambia la humedad a lo largo del mes entre un mapa y el siguiente.

Los sistemas de pronóstico de inundaciones necesitan información casi en tiempo real (NRT) para estimar la probable generación y desarrollo del evento de inundación en términos de descarga del río y etapa de inundación con tiempos de espera típicos de unos pocos días para cuencas fluviales más grandes. El Servicio Europeo de Gravedad para la Mejora de la Gestión de Emergencias (EGSIEM), financiado por la UE, ha desarrollado dichos productos de gravedad NRT diarios y los correspondientes indicadores de inundación que se utilizarán en el Centro de Información de Crisis por Satélite del DLR en una prueba operativa a partir del 1 de abril.

Mantos de hielo y glaciares. La Antártida es, manos abajo, el peor lugar del mundo para recopilar datos, y Groenlandia no se queda atrás. Sin embargo, necesitamos saber qué tan rápido se están derritiendo estas capas de hielo para comprender la tasa y las variaciones del aumento del nivel del mar en todo el mundo. Los científicos que estudian la criosfera fueron de los primeros en comenzar a trabajar con los datos de GRACE para extraer la información que necesitaban. Las pérdidas de hielo de Groenlandia y la Antártida fueron dramáticamente mayores de lo que se había estimado anteriormente utilizando estimaciones de la altura cambiante de las capas de hielo y otros tipos de datos. Desde el lanzamiento de GRACE, sus mediciones muestran que Groenlandia ha estado perdiendo alrededor de 280 gigatoneladas de hielo por año en promedio, y la Antártida un poco menos de 120 gigatoneladas al año. Los científicos de GFZ, Ingo Sasgen (ahora en el Instituto Alfred-Wegener en Bremerhaven) y Henryk Dobslaw, pudieron además relacionar las variaciones interanuales en la caída de nieve y, por lo tanto, la acumulación de masa en la Península Antártica, monitoreada por GRACE, con la fuerza de un sistema de baja presión atmosférica. situado sobre el mar de Amundsen. Dado que ese sistema de baja presión en sí es particularmente fuerte durante las condiciones tropicales de La Niña, Los datos de GRACE permitieron por primera vez cuantificar la efectividad de un proceso de teleconexión atmosférica que vincula el clima tropical incluso con regiones muy remotas y bastante aisladas como la Antártida. Hay indicios de que ambas velocidades de fusión están aumentando.

Pero también para los glaciares interiores, GRACE proporciona evidencia a gran escala de la rápida pérdida de masa de hielo en muchas áreas montañosas en todo el mundo, poniendo en riesgo el suministro de agua a largo plazo en sus antepasados. Para Asia Central, un equipo de investigación internacional dirigido por los investigadores de GFZ Daniel Farinotti y Andreas Güntner estimó a partir de los datos de GRACE que actualmente el Tien Shan está perdiendo hielo a un ritmo que es aproximadamente el doble del consumo de agua anual de toda Alemania. Combinando esto con el modelado glaciológico, estiman que la mitad del volumen total de hielo glaciar presente en el Tien Shan hoy podría perderse para la década de 2050. Consulte aquí el comunicado de prensa en inglés.

Dinámica oceánica. El nivel del mar aumenta a medida que el hielo se derrite y el agua de mar se calienta y se expande. Los científicos tienen un medición continua de la altura del nivel del mar en todo el mundo a partir de 1992 con la misión NASA-French Topex-Poseidon y continuando a través de la serie de misiones Jason. Las mediciones del altímetro del nivel del mar, sin embargo, ver solo el efecto completo de los cambios en la altura del océano debido a ambos, la temperatura del océano y el agua añadida a través del deshielo y la escorrentía terrestre. Para obtener una visión en profundidad de los procesos que están detrás de estos cambios, Los científicos deben analizar las causas:¿se está calentando principalmente el océano o se agrega más agua a los océanos? Con gracia, podemos distinguir entre la redistribución de la masa de agua y los cambios de temperatura. Inga Bergmann de GFZ demostró que GRACE es capaz de monitorear las variaciones de tiempo del transporte de masa de agua en la Corriente Circumpolar Antártica hasta incluso períodos submensuales. proporcionando así una visión a gran escala mucho mejor de la dinámica de la corriente oceánica más fuerte de la Tierra que la que se obtenía anteriormente a partir de los datos oceanográficos in situ.

Cambios en la Tierra Sólida. El manto viscoso debajo de la corteza terrestre también se mueve ligeramente en respuesta a los cambios de masa del agua cerca de la superficie. GRACE tiene una comunidad de usuarios que están calculando estos cambios para su investigación. Los científicos del JPL, Surendra Adhikari y Erik Ivins, utilizaron recientemente datos de GRACE para calcular cómo no solo la pérdida de la capa de hielo sino también el agotamiento del agua subterránea han cambiado la rotación de la Tierra a medida que el sistema se ajusta a estos movimientos de masa.

Los planificadores de GRACE no tenían muchas esperanzas de que la medición de la misión pudiera usarse para identificar los cambios abruptos en la masa asociados con los terremotos debido a la diferencia de escala:los terremotos son repentinos y locales, mientras que los mapas mensuales de GRACE tienen un promedio de un área dos veces mayor que Baviera y un mes entero. Sin embargo, mediante el diseño de nuevas técnicas de procesamiento y modelado de datos, los investigadores han encontrado una forma de aislar los efectos del terremoto. "Podemos medir el cambio de masa instantáneo en un terremoto, y descubrimos que hay una relajación muy medible que se prolonga durante uno o dos meses después del terremoto, ", Dijo Tapley. Estas mediciones proporcionan información sin precedentes sobre lo que está sucediendo muy por debajo de la superficie de la Tierra.

Sondeo atmosférico. El objetivo científico secundario de la misión GRACE es obtener alrededor de 150 perfiles verticales de temperatura y humedad de la atmósfera muy precisos y distribuidos a nivel mundial por día utilizando la técnica de ocultación de radio GPS (RO). "Estas mediciones son de gran interés para los servicios meteorológicos y los estudios relacionados con el cambio climático. Por lo tanto, proporcionamos estos perfiles las 24 horas del día, los 7 días de la semana, con un máximo de dos horas después de la medición a bordo de los satélites a los centros meteorológicos líderes en el mundo, p.ej., ECMWF (Centro europeo de previsiones meteorológicas a medio plazo), Oficina Meteorológica, MeteoFrance, NCEP (Centros Nacionales de Predicción Ambiental) o DWD (Deutscher Wetterdienst) para mejorar sus pronósticos globales ", dijo Jens Wickert, Gerente de RO de GFZ.

El futuro

A los 15 años, GRACE ha durado tres veces más de lo planeado originalmente. Los gerentes de proyecto han hecho todo lo posible para extender su vida, pero la nave espacial se quedará sin combustible pronto, probablemente este verano. La NASA y GFZ han estado trabajando desde 2012 en una segunda misión GRACE llamada GRACE Follow-On, con Alemania adquiriendo nuevamente el vehículo de lanzamiento, operaciones de la misión y los satélites gemelos construidos nuevamente en Airbus D&S en Alemania.

GRACE-FO está programado para su lanzamiento entre diciembre de 2017 y febrero de 2018. La nueva misión se enfoca en continuar con el exitoso registro de datos de GRACE. Los nuevos satélites usan hardware similar al GRACE y también llevarán un demostrador de tecnología que usa un nuevo interferómetro de rango láser (LRI) para rastrear la distancia de separación entre los satélites. El LRI es un desarrollo conjunto de Estados Unidos y Alemania y tiene el potencial de producir una medición entre satélites aún más precisa y un mapa de gravedad resultante.

Con GRACE-FO para continuar el legado revolucionario, seguramente habrá más hallazgos innovadores en el futuro. Más importante, aunque, los científicos pueden continuar monitoreando los cambios en nuestro preciado recurso hídrico global.