Doppelraum-Raumfahrzeug, um den Wasserkreislauf der Erde zu beobachten

NASA – Ein Paar neue Raumfahrzeuge, die den sich ständig ändernden Wasserkreislauf, die Eisdecke und die Kruste unseres Planeten beobachten werden, sind in den letzten Vorbereitungen für eine kalifornische Markteinführung nicht vor Samstag, den 19. Mai. Die Gravity Recovery und das Klimaexperiment Follow-On (GRACE-FO ) Mission, eine Partnerschaft zwischen der NASA und dem Deutschen Forschungszentrum für Geowissenschaften (GFZ), wird nach dem Abschluss der 15-jährigen Mission 2017 die erste Mission von GRACE übernehmen.

GRACE-FO wird weiterhin monatliche Veränderungen der Massenverteilung innerhalb und zwischen der Erdatmosphäre, den Ozeanen, dem Festland und der Eisdecke sowie innerhalb der festen Erde selbst überwachen. Diese Daten werden einzigartige Einsichten in das sich verändernde Klima der Erde, die Prozesse im Erdsystem und sogar die Auswirkungen einiger menschlicher Aktivitäten liefern und weitreichende Vorteile für die Gesellschaft bringen, wie etwa die Verbesserung des Managements von Wasserressourcen.

“Wasser ist entscheidend für jeden Aspekt des Lebens auf der Erde – für die Gesundheit, für die Landwirtschaft, für die Aufrechterhaltung unserer Art zu leben”, sagte Michael Watkins, GRACE-FO Wissenschaftsleiter und Leiter des Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA in Pasadena, Kalifornien. “Sie können es nicht gut verwalten, bis Sie es messen können. GRACE-FO bietet eine einzigartige Möglichkeit, Wasser in vielen seiner Phasen zu messen, wodurch wir Wasserressourcen effektiver verwalten können. ”

Wie GRACE wird GRACE-FO eine innovative Technik anwenden, um etwas zu beobachten, das nicht direkt aus dem Weltraum gesehen werden kann. Es nutzt das Gewicht von Wasser, um seine Bewegung zu messen – sogar Wasser weit unter der Erdoberfläche versteckt. GRACE-FO wird dies tun, indem es die Veränderungen in der Form des Schwerefelds der Erde, die durch die Bewegung von großen Mengen Wasser, Eis und fester Erde verursacht werden, sehr genau misst. 

“Wenn Wasser unterirdisch ist, ist es unmöglich direkt aus dem Weltraum zu beobachten. Es gibt kein Bild, das du aufnehmen kannst oder Radar, das du von der Oberfläche abprallen kannst, um Veränderungen in diesem tiefen Wasser zu messen “, sagte Watkins. “Aber es hat Masse, und GRACE-FO ist fast die einzige Möglichkeit, es auf großen Skalen zu beobachten. In ähnlicher Weise ist es auch sehr schwierig, Veränderungen der Gesamtmasse der polaren Eisschilde zu verfolgen, aber GRACE-FO stellt im Grunde eine “Skala” dar, um ihre Veränderungen im Laufe der Zeit zu verfolgen. ”

Ein Erbe der Entdeckungen 

GRACE-FO wird den GRACE-Datensatz um weitere fünf Jahre erweitern und sein Erbe an wissenschaftlichen Errungenschaften erweitern. GRACE zeichnete den fortschreitenden Massenverlust der grönländischen und antarktischen Eisschilde und Berggletscher auf. Dieser Datenreichtum erhellt die Schlüsselprozesse, die kurzfristige Variabilität und die langfristigen Trends, die den Anstieg des Meeresspiegels beeinflussen, und trägt zur Verbesserung der Meeresspiegelprojektionen bei. Die Schätzungen der Gesamtwasserspeicherung auf Flächen, die aus GRACE-Daten stammen, von Grundwasserveränderungen in tiefen Grundwasserleitern bis hin zu Veränderungen der Bodenfeuchte und des Oberflächenwassers geben den Wassermanagern neue Instrumente zur Messung der Auswirkungen von Dürren und zur Überwachung und Vorhersage von Hochwasser. 

GRACE-Daten wurden auch verwendet, um Veränderungen in tiefen Meeresströmungen, eine treibende Kraft im Erdklima, abzuleiten. Seine atmosphärischen Temperaturprofildaten, die aus Messungen gewonnen wurden, wie Signale von der Konstellation von GPS-Satelliten gebogen wurden, als sie durch die Atmosphäre fuhren und von Antennen auf den GRACE-Satelliten empfangen wurden, haben zu US- und europäischen Wettervorhersageprodukten beigetragen. GRACE-Daten wurden sogar verwendet, um Veränderungen innerhalb der festen Erde selbst zu messen, einschließlich der Reaktion der Erdkruste auf den Rückzug der Gletscher seit der letzten Eiszeit und der Auswirkungen großer Erdbeben. 

Laut Frank Webb, GRACE-FO Projektwissenschaftler bei JPL, wird die neue Mission unschätzbare Beobachtungen von langfristigen klimatischen Massenveränderungen liefern. “Die einzige Möglichkeit, sicher zu wissen, ob beobachtete mehrjährige Trends langfristige Veränderungen des Massengleichgewichts darstellen, besteht darin, die Länge der Beobachtungen zu verlängern”, sagte Webb.

Ein Katz und Maus Spiel 

Wie seine Vorgänger funktionieren die zwei identischen GRACE-FO-Satelliten als ein einziges Instrument. Die Satelliten umkreisen die Erde etwa 137 Meilen (220 Kilometer) voneinander entfernt, bei einer anfänglichen Höhe von etwa 305 Meilen (490 Kilometer). Jeder Satellit sendet kontinuierlich Mikrowellensignale an das andere, um Änderungen in der Entfernung zwischen ihnen genau zu messen. Wenn sie über ein riesiges Erdmerkmal fliegen, wie zum Beispiel eine Bergkette oder ein unterirdischer Aquifer, zieht die Anziehungskraft dieses Merkmals auf die Satelliten und verändert die Distanz, die sie voneinander trennt. Durch die Verfolgung von Veränderungen in ihrem Trennungsabstand mit unglaublicher Genauigkeit – auf weniger als die Dicke eines menschlichen Haares – sind die Satelliten in der Lage, diese regionalen Gravitationsänderungen zu kartieren. Ein Empfänger eines globalen Positionierungssystems wird verwendet, um die Position jedes Raumfahrzeugs relativ zur Erdoberfläche zu verfolgen, und an Bord befindliche Beschleunigungsmesser erfassen nicht-gravitative Kräfte auf das Raumfahrzeug, wie atmosphärischen Widerstand und Sonnenstrahlung.

Diese Daten werden kombiniert, um monatliche Karten der regionalen Veränderungen der globalen Schwerkraft und der entsprechenden oberflächennahen Massenvariationen zu erstellen, die in erster Linie die Veränderungen in der Verteilung der Wassermassen in der Erdatmosphäre, Ozeanen, Land und Eisdecken widerspiegeln. Darüber hinaus wird GRACE-FO ein experimentelles Laser-Ranging-Interferometer testen, ein Instrument, das die Genauigkeit von Messungen zwischen den beiden Raumschiffen für zukünftige Missionen ähnlich wie GRACE um den Faktor 10 oder mehr erhöhen könnte. Das Interferometer, das von einem deutsch / amerikanischen Instrumenten-Team entwickelt wurde, wird die erste In-Space-Demonstration der Laser-Interferometrie zwischen Satelliten sein. 

“Das Laser-Ranging-Interferometer ist ein hervorragendes Beispiel für eine großartige Partnerschaft”, sagte Frank Flechtner, GFZ-Projektleiter GRACE-FO. “Ich freue mich darauf, diese innovativen Inter-Satellite-Entfernungsmessdaten und ihre Auswirkungen auf die Gravitationsfeldmodellierung zu analysieren.” GRACE-FO wird mit fünf Iridium NEXT-Kommunikationssatelliten auf einer kommerziell gekauften SpaceX Falcon 9-Rakete von der Vandenberg Air Force Base in Kalifornien in die Umlaufbahn gebracht. Dieser einzigartige “Mitfahr-Start” wird zuerst GRACE-FO einsetzen, dann wird die zweite Stufe von Falcon 9 in eine höhere Umlaufbahn gehen, um die Iridium-Satelliten einzusetzen. GRACE-FO setzt eine erfolgreiche Partnerschaft zwischen der NASA und dem deutschen GFZ unter Beteiligung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) fort. JPL leitet die Mission für die NASA-Missionsdirektion in Washington. 

Weitere Informationen zu GRACE-FO finden Sie unter: https://www.nasa.gov/gracefo