«Гравитация — это климат»: 10 лет спутникам GRACE в исследовании климата

Впервые таяние ледников в Гренландии удалось с высокой точностью измерить из космоса. К десятилетнему юбилею спутников-близнецов GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) получена детальная картина, которая также точно отображает пространственное распределение потери массы льда. С 2002 по 2011 год ледяной щит Гренландии потерял до 240 гигатонн массы. Это соответствует повышению уровня моря примерно на 0,7 мм в год. Эти выводы стали возможны благодаря высокоточным измерениям миссии GRACE, данные которой формируют беспрецедентно точную картину гравитационного поля Земли. Один из законов Ньютона гласит, что гравитация объекта напрямую зависит от его массы. «Когда меняется масса ледяного щита Гренландии, меняется и гравитация там», — объясняет доктор Франк Флехтнер из GFZ (Немецкий исследовательский центр геонаук). «Поэтому измерения гравитационного поля GRACE дают нам информацию об изменениях массы, включая вызванные климатом».

Но это не всё. Неравномерное распределение массы на планете и внутри неё приводит к изменчивости гравитации, из-за чего Земля имеет неправильную форму, значительно отклоняющуюся от сферической. Получивший мировую известность геоид известен как «Потсдамская гравитационная картофелина». Но эта форма также подвержена временным изменениям. Во время последнего ледникового периода Северную Америку и Скандинавию покрывал ледник толщиной в милю. После его таяния земная кора, освободившись от нагрузки, продолжает подниматься до сих пор. Это вызывает переток материала в недрах Земли, в мантии. С помощью GRACE впервые удалось точно зафиксировать глобально это гляциоизостатическое выравнивание как изменение высоты геоида: ледниковые периоды продолжают оказывать влияние, что особенно заметно в Северной Америке и Скандинавии.

Юбилей на орбите

17 марта 2012 года два спутника-близнеца GRACE проведут на орбите ровно 10 лет. Учёные назвали их «Том и Джерри», потому что они движутся друг за другом по одной и той же орбите вокруг Земли. С момента запуска с российского космодрома Плесецк два спутника совершили более 55 000 витков вокруг Земли по почти полярной орбите на высоте около 450–500 км и расстоянии 220 км друг от друга, непрерывно собирая данные.

GRACE — совместный проект NASA (Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства США) и Немецкого аэрокосмического центра (DLR). Миссия была спланирована в 1996 году GFZ, Центром космических исследований Техасского университета (UTCSR) и Лабораторией реактивного движения (JPL) в Пасадене, а в 1997 году была выбрана второй миссией в программе NASA Earth System Science Pathfinder (ESSP). Научный анализ данных осуществляется совместно GFZ, UTCSR и JPL. Главный исследователь миссии — профессор Байрон Тапли (UTSCR), его заместитель — доктор Франк Флехтнер (GFZ). Особенно примечательно: с GRACE NASA впервые поручило строительство спутников неамериканской компании. Astrium в Фридрихсхафене, построивший спутник-основатель GFZ CHAMP (Challenging Mini-satellite Payload), изготовил спутниковый дуэт GRACE для NASA.

Толщина в волос: измерения гравитационного поля со спутника

Основная научная цель миссии спутников GRACE — измерение гравитационного поля Земли и его изменений во времени в глобальном масштабе с беспрецедентной точностью. Если бы Земля была однородной сферой, два спутника двигались бы по точным эллиптическим орбитам. Но неравномерное распределение массы вызывает возмущения траектории. «Их анализ позволяет нам вывести нерегулярную структуру гравитации Земли, — объясняет доктор Франк Флехтнер. — Однако для этого требуется измерение орбит спутников с высокой точностью. Каждый из двух спутников GRACE оснащён приёмником GPS для позиционирования, акселерометром для коррекции возмущающих сил из-за остаточной атмосферы и солнечной радиации, и двумя звёздными датчиками для определения положения спутников в пространстве». Но ядро — это сверхточная система измерения расстояния, разработанная NASA/JPL, которая позволяет непрерывно измерять расстояние между двумя спутниками с точностью до одной десятой толщины волоса.

Из изменяющегося расстояния между двумя спутниками учёные GFZ могут определить гравитационное поле Земли. Примерно каждые 30 дней пара спутников собирает достаточно данных для полной глобальной карты. Это ежемесячное исследование гравитации как минимум в 100 раз точнее любой предыдущей модели и бесценно для исследований в GFZ и международного сообщества пользователей. «Многие процессы в климате нашей планеты сопровождаются крупномасштабным перераспределением водных масс, которое становится видимым в гравитационном поле», — добавляет Флехтнер. Это позволило, как следует из названия миссии, впервые наблюдать и анализировать однородные и глобально многочисленные климатические процессы по ежемесячным моделям гравитационного поля за последние 10 лет. Особо стоит отметить:

  • Изучение баланса массы континентальных вод, которое, в конечном счёте, является суммой осадков, испарения, стока и накопления. GRACE отслеживает сезонные изменения в крупных речных бассейнах, а также огромное изъятие грунтовых вод для орошения в северной Индии и Калифорнии.
  • Количественную оценку увеличения или уменьшения массы льда и снега в полярных регионах или крупных ледниковых областях. Учёные GFZ смогли продемонстрировать сильную корреляцию между климатическим феноменом Эль-Ниньо/Ла-Нинья, режимом осадков в Западной Антарктиде и сокращением ледовой массы там.
  • Наблюдение поверхностных и глубинных течений, которое — в сочетании с топографией морской поверхности, полученной со спутниковой альтиметрии — привело к гораздо лучшему пониманию глобальной циркуляции океана и, следовательно, переноса тепла от экватора к полюсам.
  • Впервые появилась возможность разделить изменения уровня моря, вызванные массой (таяние льда) или температурой (глобальное потепление).
  • Изменения в твёрдой Земле после крупных землетрясений, таких как Суматра-Андаман (2004), Чили (2010) и Фукусима (2011).

Новые «картофелины» и улучшенный прогноз погоды

«Потсдамская гравитационная картофелина», первоначально разработанная в 1995 году, теперь стала намного точнее благодаря GRACE. Это не просто трюк, а необходимость, например, для улучшения траекторий геодезических спутников и получения точных глобальных систем отсчёта — предпосылка для объединения и оценки различных глобальных сенсорных систем, таких как GPS, спутниковая лазерная локация (SLR), спутниковая альтиметрия или локальные измерения, например, для наблюдения за повышением уровня моря. Другая научная цель миссии GRACE — ежедневно получать из данных GPS около 150 глобально распределённых вертикальных профилей температуры и водяного пара. Эти данные поступают в GFZ через собственную приёмную станцию в Ню-Олесунде (Шпицберген) и доставляются в мировые метеорологические центры в течение 2 часов для улучшения глобальных прогнозов. Кроме того, эти данные используются для изучения климатически обусловленных изменений в атмосфере Земли.

Научный подарок на день рождения

С самого начала GRACE планировалась как международная программа. «На 10-летие исследователи приготовили особый подарок для более чем 3000 пользователей, — говорит профессор Райнхард Хюттль, председатель правления GFZ. — Вся миссия была пересчитана с использованием улучшенных моделей коррекции, данных приборов и стандартов обработки». Первоначальный анализ показывает, что точность моделей гравитационного поля может быть дополнительно улучшена в 2 раза. Эти новые модели будут выпущены для глобальных пользователей 17 марта через Информационную систему и центр данных (ISDC) GFZ.

Как и её предшественница CHAMP, миссия GRACE 17 марта проработает вдвое дольше, чем изначально планировалось. Однако окончание миссии уже видится. Поэтому GFZ вместе с американскими коллегами инициировал последующую миссию. Профессор Хюттль уверен: «Мы надеемся, что к Рождеству 2016 года два спутника GRACE-FO (follow-on) будут вращаться вокруг Земли, потому что только длинные временные ряды могут дать надёжную информацию о глобальных тенденциях в климате».