Il Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) era una missione congiunta della NASA e del Centro Aerospaziale Tedesco (DLR). I satelliti gemelli , dal loro lancio avvenuto nel marzo 2002 fino alla fine della loro missione scientifica nell’ottobre 2017, hanno effettuato misurazioni dettagliate delle anomalie del campo gravitazionale della Terra. Il GRACE Follow-On (GRACE-FO) lanciato nel maggio 2018 è la continuazione della missione su un hardware quasi identico.
Misurando le anomalie di gravità, GRACE ha mostrato come la massa è distribuita intorno al pianeta e come varia nel tempo. I dati dei satelliti GRACE sono uno strumento importante per studiare l’oceano, la geologia e il clima della Terra. GRACE è stato un impegno collaborativo che ha coinvolto il Center for Space Research dell’Università del Texas a Austin, il Jet Propulsion Laboratory della NASA, il German Aerospace Center e il National Research Center for Geosciences della Germania, Potsdam. Il Jet Propulsion Laboratory era responsabile della gestione generale della missione nell’ambito del programma ESSP (Earth System Science Pathfinder) della NASA.
Il ricercatore principale è Byron Tapley dell’Università del Texas Center for Space Research, e il co-ricercatore principale è Christoph Reigber del GeoForschungsZentrum (GFZ) Potsdam.
I due satelliti GRACE, GRACE-1 e GRACE-2, sono stati lanciati dal Cosmodromo di Plesetsk, in Russia, su un veicolo di lancio Rockot (SS-19 + stadio superiore Breeze) il 17 marzo 2002. I veicoli spaziali sono stati lanciati ad un’altitudine iniziale di circa 500 km ad un’inclinazione quasi polare di 89°. Durante le normali operazioni, i satelliti erano separati da 220 km lungo la loro orbita. Questo sistema era in grado di raccogliere una copertura globale ogni 30 giorni. GRACE ha superato di gran lunga la sua durata di 5 anni, operando per 15 anni fino allo smantellamento di GRACE-2 avvenuto il 27 ottobre 2017. Il suo successore, GRACE-FO, è stato lanciato con successo il 22 maggio 2018.
Nel 2019, un ghiacciaio dell’Antartide occidentale è stato chiamato come la missione GRACE.
Scoperte e applicazioni
Le mappe mensili delle anomalie gravitazionali generate da GRACE sono fino a 1.000 volte più accurate delle mappe precedenti, migliorando sostanzialmente la precisione di molte tecniche utilizzate da oceanografi, idrologi, glaciologi, geologi e altri scienziati per studiare i fenomeni che influenzano il clima.
Dall’assottigliamento degli strati di ghiaccio al flusso di acqua attraverso le falde acquifere e le lente correnti di magma all’interno della Terra, le misurazioni di massa fornite da GRACE aiutano gli scienziati a comprendere meglio questi importanti processi naturali.
Variazioni della pressione dei fondali oceanici misurate da GRACE
Oceanografia, idrologia e lastre di ghiaccio
GRACE ha rilevato principalmente i cambiamenti avvenuti nella distribuzione dell’acqua sul pianeta. Gli scienziati usano i dati di GRACE per stimare la pressione del fondo dell’oceano (il peso combinato delle acque oceaniche e dell’atmosfera), che è importante per gli oceanografi quanto la pressione atmosferica lo è per i meteorologi. Per esempio, la misurazione dei gradienti di pressione oceanica permette agli scienziati di stimare i cambiamenti mensili delle correnti oceaniche profonde. La risoluzione limitata di GRACE è accettabile in questa ricerca perché le grandi correnti oceaniche possono anche essere stimate e verificate da una rete di boe oceaniche. Gli scienziati hanno inoltre migliorato i metodi per utilizzare i dati di GRACE per descrivere il campo gravitazionale della Terra. I dati di GRACE sono fondamentali per aiutare a determinare la causa dell’innalzamento del livello del mare, se è il risultato dell’aggiunta di massa all’oceano – dallo scioglimento dei ghiacciai, per esempio – o dall’espansione termica dell’acqua che si riscalda o dai cambiamenti nella salinità. I campi gravitazionali statici ad alta risoluzione stimati dai dati GRACE hanno aiutato a migliorare la comprensione della circolazione oceanica a livello globale. Le colline e le valli sulla superficie dell’oceano (topografia della superficie dell’oceano) sono dovute alle correnti e alle variazioni del campo gravitazionale della Terra. GRACE permette di separare questi due effetti per misurare meglio le correnti oceaniche e il loro effetto sul clima.
I dati di GRACE hanno fornito una registrazione della perdita di massa nelle calotte di ghiaccio della Groenlandia e dell’Antartide. Si è scoperto che la Groenlandia ha perso 280±58 Gt di ghiaccio all’anno tra il 2003 e il 2013, mentre l’Antartide ha perso 67±44 Gt all’anno nello stesso periodo. Ciò equivale a un totale di 0,9 mm/anno di aumento del livello del mare. I dati di GRACE hanno anche fornito approfondimenti sull’idrologia regionale inaccessibili ad altre forme di telerilevamento: per esempio, l’esaurimento delle acque sotterranee in India e in California. L’idrologia annuale del bacino amazzonico fornisce un segnale particolarmente forte se analizzato da GRACE.
Uno studio condotto dall’Università della California, Irvine, pubblicato su Water Resources Research il 16 giugno 2015, ha utilizzato i dati GRACE riguardanti il periodo 2003-2013 per concludere che 21 delle 37 maggiori falde acquifere del mondo “hanno superato i punti critici di sostenibilità e si stanno esaurendo” e tredici di esse sono “considerate significativamente in difficoltà”. Il più stressato è il sistema acquifero arabo, da cui dipendono più di 60 milioni di persone per l’acqua.
Geofisica
GRACE rileva anche i cambiamenti nel campo gravitazionale dovuti a processi geofisici. L’aggiustamento isostatico glaciale – il lento aumento delle masse terrestri una volta depresse dal peso degli strati di ghiaccio dell’ultima era glaciale – rappresenta il principale di questi segnali. I segnali GIA appaiono come tendenze secolari nelle misurazioni del campo di gravità e devono essere rimossi per stimare accuratamente i cambiamenti della massa d’acqua e di ghiaccio in una regione. GRACE è anche sensibile ai cambiamenti permanenti che avvengono nel campo di gravità in seguito ai terremoti. Per esempio, i dati di GRACE sono stati utilizzati per analizzare gli spostamenti della crosta terrestre causati dal terremoto che ha creato lo tsunami del 2004 nell’Oceano Indiano.
Nel 2006, un team di ricercatori guidati da Ralph von Frese e Laramie Potts ha utilizzato i dati GRACE per scoprire il cratere Wilkes Land, largo 480 chilometri (300 miglia), in Antartide, che si è probabilmente formato circa 250 milioni di anni fa.
Cambiamento della massa delle calotte glaciali della Groenlandia e dell’Antartide rilevato da GRACE
https://climate.nasa.gov/vital-signs/ice-sheets/
Geodesia
I dati di GRACE hanno migliorato l’attuale modello del campo gravitazionale terrestre, portando a miglioramenti nel campo della geodesia. Questo modello migliorato ha permesso di correggere la superficie equipotenziale a cui si riferiscono le elevazioni della terra. Questa superficie di riferimento più accurata permette di avere coordinate di latitudine e longitudine più precise e di avere meno errori nel calcolo delle orbite satellitari geodetiche.
Altri segnali
GRACE è sensibile alle variazioni a livello regionale della massa dell’atmosfera e alle variazioni ad alta frequenza della pressione del fondo dell’oceano. Queste variazioni sono ben comprese e vengono rimosse dalle stime mensili della gravità utilizzando modelli di previsione al fine di evitare l’aliasing. Tuttavia, gli errori presenti in questi modelli influenzano le soluzioni di GRACE.
I dati di GRACE contribuiscono anche alla fisica fondamentale. Sono stati utilizzati per ri-analizzare i dati ottenuti dall’esperimento LAGEOS per cercare di misurare l’effetto di trascinamento relativistico del frame.
Veicolo spaziale
I veicoli spaziali sono stati prodotti da Astrium in Germania, utilizzando la sua piattaforma “Flexbus”. I sistemi RF a microonde e gli algoritmi di determinazione e controllo dell’assetto sono stati forniti da Space Systems/Loral. Le telecamere stellari utilizzate per misurare l’assetto della navicella sono state fornite dalla Technical University of Denmark. Il computer dello strumento insieme a un ricevitore GPS BlackJack altamente preciso e al sistema di elaborazione del segnale digitale è stato fornito dal JPL di Pasadena. L’accelerometro altamente preciso che è necessario per separare gli effetti della pressione atmosferica e della radiazione solare dai dati di gravitazione è stato prodotto da ONERA.
Diagrammi che illustrano i sistemi e gli strumenti a bordo della navicella GRACE
Anomalie gravitazionali globali terrestri e oceaniche realizzate da GRACE
Principio di misurazione
La misura chiave di GRACE, la gravimetria satellitare, non deriva da onde elettromagnetiche. Invece, la missione utilizza un sistema di misurazione a microonde per misurare accuratamente i cambiamenti di velocità e distanza tra due veicoli spaziali identici che volano in un’orbita polare a circa 220 chilometri (140 mi) di distanza, 500 chilometri (310 mi) sopra la Terra. Il sistema è abbastanza sensibile da rilevare cambiamenti di separazione di soli 10 micrometri (circa un decimo della larghezza di un capello umano) su una distanza di 220 chilometri. Mentre i satelliti gemelli GRACE girano intorno al globo 15 volte al giorno, rilevando minime variazioni nella forza gravitazionale della Terra. Quando il primo satellite passa sopra una regione di gravità leggermente più forte, un’anomalia di gravità, viene tirato leggermente avanti rispetto al satellite che lo segue. Questo fa sì che la distanza tra i satelliti aumenti. Il primo veicolo spaziale passa poi l’anomalia e rallenta di nuovo; nel frattempo il veicolo spaziale seguente accelera e poi decelera sullo stesso punto. Misurando la distanza che cambia costantemente tra i due satelliti e combinando questi dati con misure precise di posizionamento dagli strumenti del Global Positioning System (GPS), gli scienziati possono costruire una mappa dettagliata delle anomalie gravitazionali della Terra.
Strumentazione
I due satelliti (soprannominati “Tom” e “Jerry”) mantengono costantemente un collegamento bidirezionale a microonde in banda K tra loro. Le misure di distanza precise sono fatte confrontando gli spostamenti di frequenza del collegamento. Questo è possibile grazie all’oscillatore ultra stabile a bordo (USO) che produce le frequenze per il sistema di misurazione in banda K. La sensibilità micrometrica di questa misurazione richiede di conseguenza misure precise della posizione, del movimento e dell’orientamento di ogni veicolo spaziale affinché sia utile. Per rimuovere l’effetto di forze esterne non gravitazionali (ad esempio, resistenza, pressione delle radiazioni solari), i veicoli utilizzano accelerometri elettrostatici Super STAR situati vicino ai loro rispettivi centri di massa. I ricevitori GPS sono utilizzati per stabilire le posizioni precise di ogni satellite lungo la linea di base esistente tra i satelliti. I satelliti utilizzano telecamere stellari e magnetometri per stabilire l’assetto. I veicoli GRACE hanno anche dei riflettori ottici angolari per consentire la misurazione laser dalle stazioni di terra utilizzando il Center of Mass Trim Assembly (MTA) che assicura che il centro di massa sia modificato durante il volo in modo appropriato.
Prodotti dati
CSR, GFZ e JPL elaborano le osservazioni e i dati ausiliari scaricati da GRACE per produrre modelli geopotenziali mensili della Terra. Questi modelli sono distribuiti come coefficienti armonici sferici con un grado massimo di 60. Sono disponibili anche prodotti di grado 90. Questi prodotti hanno una latenza tipica di 1-2 mesi. Questi coefficienti geopotenziali possono essere utilizzati per calcolare l’altezza del geoide, le anomalie di gravità e i cambiamenti nella distribuzione della massa sulla superficie terrestre. I prodotti grigliati che stimano i cambiamenti nella massa in unità di spessore equivalente di acqua liquida sono disponibili sul sito web GRACE Tellus del JPL.
Fine della missione
Nel settembre 2017, a seguito di un problema alla batteria di GRACE-2 dovuto all’età, è diventato evidente che la capacità residua della batteria di GRACE-2 non sarebbe stata sufficiente al funzionamento. Pertanto, è stato deciso a metà ottobre di smantellare il satellite GRACE-2 e terminare la missione scientifica di GRACE. Il rientro in atmosfera di GRACE-2 è avvenuto il 24 dicembre 2017 alle 00:16 UTC circa; il rientro in atmosfera di GRACE-1 è avvenuto il 10 marzo 2018 intorno alle 06:09 UTC.
GRACE Follow-On
La missione GRACE-FO, una collaborazione tra la NASA e GFZ, è stata lanciata il 22 maggio 2018 a bordo di un razzo SpaceX Falcon 9 da Vandenberg AFB, California, condividendo il lancio con cinque satelliti Iridium NEXT. Durante i controlli in orbita, è stata scoperta un’anomalia nel componente del sistema primario dello strumento a microonde (MWI), e il sistema è stato temporaneamente spento il 19 luglio 2018. Dopo un’indagine completa condotta da un team addetto alla risoluzione delle anomalie al JPL, il sistema di backup del MWI è stato acceso il 19 ottobre 2018 e GRACE-FO ha ripreso i controlli in orbita. GRACE-FO è entrato pienamente operativo il 28 gennaio 2019 .L’orbita e il design di GRACE-FO è molto simile al suo predecessore. GRACE-FO impiega lo stesso collegamento bidirezionale di GRACE per la ricerca a microonde, che consentirà una precisione simile tra i satelliti. Inoltre, GRACE-FO impiega l’interferometria laser-ranging (LRI) come esperimento tecnologico in preparazione per i futuri satelliti. L’LRI permette una più accurata misurazione intersatellitare grazie alla lunghezza d’onda più corta della luce, e inoltre permette di misurare l’angolo tra i due veicoli spaziali e la loro separazione attraverso il rilevamento differenziale del fronte d’onda (DWS). Usando l’LRI, gli scienziati hanno migliorato la precisione delle misure della distanza di separazione di un fattore superiore a 20 rispetto alla missione GRACE. Ogni laser sull’LRI ha circa la stessa potenza di quattro puntatori laser. Questi laser devono essere rilevati da un veicolo spaziale a circa 220 chilometri di distanza. Questo approccio laser genererà misurazioni molto più accurate rispetto alla precedente missione satellitare GRACE.
I satelliti GRACE-FO traggono energia elettrica da pannelli di array composti da celle solari all’arseniuro di gallio che coprono l’esterno di ogni satellite.
GRACE-FO continuerà a monitorare la gravità e il clima della Terra. La missione traccerà i cambiamenti gravitazionali dei livelli globali del mare, dei ghiacciai e delle calotte di ghiaccio, così come i livelli d’acqua dei grandi laghi e dei fiumi e l’umidità del suolo. Inoltre, ciascuno dei satelliti utilizzerà le antenne GPS per creare almeno 200 profili al giorno della distribuzione della temperatura atmosferica e del contenuto di vapore acqueo, una novità assoluta per la missione GRACE.
GRACE-FO ha una vita di progetto di 5 anni
- GRACE website by the University of Texas
- GRACE Tellus website by the Jet Propulsion Laboratory
- GRACE Real-Time Data Analysis Portal by the University of Colorado
- GRACE Information System and Data Center by GFZ German Research Centre for Geosciences
- Dunn, Charles; et al. (February 2003). “Instrument of Grace: GPS augments gravity measurements”. GPS World. 14 (2): 16–28. Archived from the original on 25 February 2012.
- For 15 Years, GRACE Tracked Freshwater Movements Around the World on YouTube published on 16 May 2018 by NASA Goddard