El Experimento de Recuperación de Gravedad y Clima ( GRACE ) fue una misión conjunta de la NASA y el Centro Aeroespacial Alemán (DLR). Los satélites gemelos tomaron mediciones detalladas de las anomalías del campo gravitatorio de la Tierra desde su lanzamiento en marzo de 2002 hasta el final de su misión científica en octubre de 2017. Los dos satélites a veces fueron llamados Tom y Jerry, un guiño a la famosa caricatura . El GRACE Follow-On ( GRACE-FO ) es una continuación de la misión en hardware casi idéntico, lanzado en mayo de 2018. El 19 de marzo de 2024, la NASA anunció que el sucesor de GRACE-FO sería el Experimento de Recuperación de Gravedad y Clima-Continuidad ( GRACE-C ), que se lanzaría en 2028 o después. [9]
Al medir las anomalías de la gravedad , GRACE mostró cómo se distribuye la masa alrededor del planeta y cómo varía con el tiempo. Los datos de los satélites GRACE son una herramienta importante para estudiar el océano , la geología y el clima de la Tierra . GRACE fue un esfuerzo colaborativo que involucró al Centro de Investigación Espacial de la Universidad de Texas en Austin , el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA , el Centro Aeroespacial Alemán y el Centro Nacional de Investigación de Geociencias de Alemania , Potsdam. [10] El Laboratorio de Propulsión a Chorro fue responsable de la gestión general de la misión bajo el programa ESSP (Earth System Science Pathfinder) de la NASA.
El investigador principal es Byron Tapley del Centro de Investigación Espacial de la Universidad de Texas , y el coinvestigador principal es Christoph Reigber del GeoForschungsZentrum (GFZ) Potsdam . [11]
Los dos satélites GRACE, GRACE-1 y GRACE-2, fueron lanzados desde el cosmódromo de Plesetsk , Rusia, en un vehículo de lanzamiento Rockot ( SS-19 + etapa superior Briz ) el 17 de marzo de 2002. Las naves espaciales fueron lanzadas a una altitud inicial de aproximadamente 500 km con una inclinación casi polar de 89°. Durante las operaciones normales, los satélites estaban separados por 220 km a lo largo de su trayectoria orbital. Este sistema pudo reunir cobertura global cada 30 días. [12] GRACE superó con creces su vida útil de diseño de 5 años, operando durante 15 años hasta el desmantelamiento de GRACE-2 el 27 de octubre de 2017. [6] Su sucesor, GRACE-FO, fue lanzado con éxito el 22 de mayo de 2018.
En 2019, un glaciar en la Antártida Occidental recibió el nombre de la misión GRACE. [13] [14]
Los mapas mensuales de anomalías gravitacionales generados por GRACE son hasta 1.000 veces más precisos que los mapas anteriores, mejorando sustancialmente la precisión de muchas técnicas utilizadas por oceanógrafos , hidrólogos , glaciólogos , geólogos y otros científicos para estudiar los fenómenos que influyen en el clima. [15]
Desde el adelgazamiento de las capas de hielo hasta el flujo de agua a través de los acuíferos y las lentas corrientes de magma dentro de la Tierra, las mediciones de masa proporcionadas por GRACE ayudan a los científicos a comprender mejor estos importantes procesos naturales.
GRACE detectó principalmente cambios en la distribución del agua en todo el planeta. Los científicos utilizan los datos de GRACE para estimar la presión del fondo oceánico (el peso combinado de las aguas oceánicas y la atmósfera), que es tan importante para los oceanógrafos como la presión atmosférica para los meteorólogos. [16] Por ejemplo, medir los gradientes de presión oceánica permite a los científicos estimar los cambios mensuales en las corrientes oceánicas profundas. [17] La resolución limitada de GRACE es aceptable en esta investigación porque las grandes corrientes oceánicas también pueden estimarse y verificarse mediante una red de boyas oceánicas. [16] Los científicos también han detallado métodos mejorados para usar los datos de GRACE para describir el campo gravitatorio de la Tierra. [18] Los datos de GRACE son fundamentales para ayudar a determinar la causa del aumento del nivel del mar , ya sea el resultado de la masa que se agrega al océano (por ejemplo, el derretimiento de los glaciares ) o de la expansión térmica del agua que se calienta o cambios en la salinidad . [19] Los campos de gravedad estáticos de alta resolución estimados a partir de los datos de GRACE han ayudado a mejorar la comprensión de la circulación oceánica global . Las colinas y los valles en la superficie del océano ( topografía de la superficie del océano ) se deben a las corrientes y a las variaciones en el campo gravitatorio de la Tierra. GRACE permite separar esos dos efectos para medir mejor las corrientes oceánicas y su efecto sobre el clima. [20]
Los datos de GRACE han proporcionado un registro de la pérdida de masa dentro de las capas de hielo de Groenlandia y la Antártida. Se ha descubierto que Groenlandia ha perdido280 ± 58 Gt de hielo por año entre 2003 y 2013, mientras que la Antártida ha perdido67 ± 44 Gt por año en el mismo período. [21] Esto equivale a un total de 0,9 mm/año de aumento del nivel del mar. También se encontraron aumentos en el contenido de calor del océano resultantes del desequilibrio energético de la Tierra de aproximadamente 0,8 W/m2 entre 2002 y 2019. [22] [23]
Los datos de GRACE también han proporcionado información sobre la hidrología regional inaccesible a otras formas de teledetección: por ejemplo, el agotamiento de las aguas subterráneas en la India [24] y California. [25] La hidrología anual de la cuenca del Amazonas proporciona una señal especialmente fuerte cuando se observa mediante GRACE. [26] Un estudio dirigido por la Universidad de California, Irvine, publicado en Water Resources Research el 16 de junio de 2015 utilizó datos de GRACE entre 2003 y 2013 para concluir que 21 de los 37 acuíferos más grandes del mundo "han superado los puntos de inflexión de sostenibilidad y se están agotando" y trece de ellos se "consideran significativamente estresados". El más estresado es el Sistema Acuífero Arábigo , del que más de 60 millones de personas dependen para el agua. [27]
GRACE también detecta cambios en el campo gravitatorio debido a procesos geofísicos. El ajuste isostático glacial (el lento ascenso de masas de tierra que alguna vez fueron deprimidas por el peso de las capas de hielo de la última era glacial) es una de estas señales principales. Las señales de GIA aparecen como tendencias seculares en las mediciones del campo gravitatorio y deben eliminarse para estimar con precisión los cambios en la masa de agua y hielo en una región. [28] GRACE también es sensible a los cambios permanentes en el campo gravitatorio debido a los terremotos. Por ejemplo, los datos de GRACE se han utilizado para analizar los cambios en la corteza terrestre causados por el terremoto que creó el tsunami del Océano Índico de 2004. [29]
En 2006, un equipo de investigadores dirigido por Ralph von Frese y Laramie Potts utilizó datos de GRACE para descubrir el cráter Wilkes Land de 480 kilómetros de ancho (300 millas) en la Antártida , que probablemente se formó hace unos 250 millones de años. [30]
Los datos de GRACE han mejorado el modelo actual del campo gravitacional de la Tierra , lo que ha dado lugar a mejoras en el campo de la geodesia . Este modelo mejorado ha permitido realizar correcciones en la superficie equipotencial a partir de la cual se toman como referencia las elevaciones terrestres. Esta superficie de referencia más precisa permite obtener coordenadas de latitud y longitud más precisas y menos errores en el cálculo de las órbitas geodésicas de los satélites. [31]
GRACE es sensible a las variaciones regionales de la masa de la atmósfera y a las variaciones de alta frecuencia de la presión del fondo oceánico. Estas variaciones se comprenden bien y se eliminan de las estimaciones de gravedad mensuales mediante modelos de pronóstico para evitar el aliasing . [32] No obstante, los errores en estos modelos sí influyen en las soluciones de GRACE. [33]
Los datos de GRACE también contribuyen a la física fundamental. Se han utilizado para volver a analizar los datos obtenidos del experimento LAGEOS para intentar medir el efecto de arrastre del marco relativista . [34] [35]
La nave espacial fue fabricada por Astrium de Alemania, utilizando su plataforma "Flexbus" . Los sistemas de radiofrecuencia de microondas y los algoritmos del sistema de determinación y control de actitud fueron proporcionados por Space Systems/Loral . Las cámaras estelares utilizadas para medir la actitud de la nave espacial fueron proporcionadas por la Universidad Técnica de Dinamarca . La computadora del instrumento junto con un receptor GPS BlackJack de alta precisión y un sistema de procesamiento de señal digital fueron proporcionados por JPL en Pasadena. El acelerómetro de alta precisión que se necesita para separar los efectos de la presión atmosférica y de la radiación solar de los datos de gravitación fue fabricado por ONERA .
La medición clave de GRACE, la gravimetría satelital , no se deriva de ondas electromagnéticas. En su lugar, la misión utiliza un sistema de medición por microondas para medir con precisión los cambios en la velocidad y la distancia entre dos naves espaciales idénticas que vuelan en una órbita polar separadas por unos 220 kilómetros (140 millas), a 500 kilómetros (310 millas) sobre la Tierra. El sistema de medición es lo suficientemente sensible como para detectar cambios de separación tan pequeños como 10 micrómetros (aproximadamente una décima parte del ancho de un cabello humano) en una distancia de 220 kilómetros. [4] A medida que los satélites gemelos GRACE giran alrededor del globo 15 veces al día, detectan variaciones minúsculas en la atracción gravitatoria de la Tierra. Cuando el primer satélite pasa sobre una región de gravedad ligeramente más fuerte, una anomalía gravitacional , es empujado ligeramente por delante del satélite que lo sigue. Esto hace que la distancia entre los satélites aumente. La primera nave espacial luego pasa la anomalía y desacelera nuevamente; mientras tanto, la siguiente nave espacial acelera y luego desacelera sobre el mismo punto. Al medir la distancia en constante cambio entre los dos satélites y combinar esos datos con mediciones de posicionamiento precisas de los instrumentos del Sistema de Posicionamiento Global (GPS), los científicos pueden construir un mapa detallado de las anomalías gravitacionales de la Tierra.
Los dos satélites (apodados "Tom" y "Jerry" ) mantienen constantemente un enlace de medición de distancias bidireccional por microondas en banda K. Las mediciones precisas de distancia se realizan comparando los cambios de frecuencia del enlace. Esto es posible gracias al oscilador ultraestable (USO) incorporado que produce las frecuencias para el sistema de medición de distancias en banda K. [36] La sensibilidad micrométrica de esta medición requiere mediciones precisas de la posición, el movimiento y la orientación de cada nave espacial para que sea útil. Para eliminar el efecto de las fuerzas externas no gravitacionales (por ejemplo, la resistencia , la presión de la radiación solar ), los vehículos utilizan acelerómetros electrostáticos Super STAR sensibles ubicados cerca de sus respectivos centros de masa. Se utilizan receptores GPS para establecer las posiciones precisas de cada satélite a lo largo de la línea de base entre los satélites. Los satélites utilizan cámaras estelares y magnetómetros para establecer la actitud . Los vehículos GRACE también tienen reflectores ópticos de esquina para permitir la medición de distancias por láser desde estaciones terrestres utilizando el conjunto de ajuste del centro de masa (MTA), que garantiza que el centro de masa se modifique durante todo el vuelo en consecuencia. [36]
CSR, GFZ y JPL procesan observaciones y datos auxiliares descargados de GRACE para producir modelos geopotenciales mensuales de la Tierra. [37] Estos modelos se distribuyen como coeficientes armónicos esféricos con un grado máximo de 60. También hay productos de grado 90 disponibles. Estos productos tienen una latencia típica de 1 a 2 meses. Estos coeficientes geopotenciales se pueden utilizar para calcular la altura del geoide , las anomalías de gravedad y los cambios en la distribución de la masa en la superficie de la Tierra. [38] Los productos en cuadrícula que estiman los cambios en la masa en unidades de espesor equivalente de agua líquida están disponibles en el sitio web GRACE Tellus de JPL.
En septiembre de 2017, tras un problema relacionado con la antigüedad de la batería del GRACE-2, se hizo evidente que la capacidad restante de la batería del GRACE-2 no sería suficiente para funcionar. Por lo tanto, a mediados de octubre se decidió desmantelar el satélite GRACE-2 y poner fin a la misión científica del GRACE. [6] El reingreso atmosférico del GRACE-2 se produjo el 24 de diciembre de 2017 aproximadamente a las 00:16 UTC; [8] el reingreso atmosférico del GRACE-1 tuvo lugar el 10 de marzo de 2018 alrededor de las 06:09 UTC. [7]
La misión GRACE-FO, una colaboración entre la NASA y GFZ , se lanzó el 22 de mayo de 2018 a bordo de un cohete Falcon 9 de SpaceX desde la Base de la Fuerza Aérea Vandenberg, California, compartiendo el lanzamiento con cinco satélites Iridium NEXT . [46] [47] Durante las comprobaciones en órbita, se descubrió una anomalía en el componente del sistema primario del instrumento de microondas (MWI), y el sistema se apagó temporalmente el 19 de julio de 2018. [48] Después de una investigación completa por parte de un equipo de respuesta a anomalías en el JPL, el sistema de respaldo en el MWI se encendió el 19 de octubre de 2018 y GRACE-FO reanudó sus comprobaciones en órbita. [48] [49] GRACE-FO entró en la fase científica de su misión el 28 de enero de 2019. [50]
La órbita y el diseño de GRACE-FO son muy similares a los de su predecesor. [51] GRACE-FO emplea el mismo enlace de medición de microondas bidireccional que GRACE, lo que permitirá una precisión de medición entre satélites similar. Además, GRACE-FO emplea interferometría de medición por láser (LRI) como experimento tecnológico en preparación para futuros satélites. [52] [53] [54] La LRI permite una medición de distancia entre satélites más precisa debido a la longitud de onda de luz más corta, y además permite medir el ángulo entre las dos naves espaciales, así como su separación mediante detección de frente de onda diferencial (DWS). [55] [56] [57] Utilizando la LRI, los científicos han mejorado la precisión de las mediciones de la distancia de separación en un factor de más de 20 en relación con la misión GRACE. [51] [58] Cada láser en la LRI tiene aproximadamente la misma potencia que cuatro punteros láser. [59] Estos láseres deben ser detectados por una nave espacial a unos 220 kilómetros (140 millas) de distancia. [59] Este enfoque láser generará mediciones mucho más precisas que la misión satelital GRACE anterior. [60]
Los satélites GRACE-FO obtienen electricidad de paneles de células solares de arseniuro de galio que cubren el exterior de cada satélite. [61]
GRACE-FO seguirá monitoreando la gravedad y el clima de la Tierra. La misión rastreará los cambios gravitacionales en los niveles globales del mar, los glaciares y las capas de hielo, así como los niveles de agua de grandes lagos y ríos y la humedad del suelo. [55] Además, cada uno de los satélites utilizará antenas GPS para crear al menos 200 perfiles por día de la distribución de la temperatura atmosférica y el contenido de vapor de agua, una novedad para la misión GRACE. [51]
GRACE-FO tiene una vida útil de diseño de 5 años. [51] [62]
