"Revolucionário" é uma palavra que você ouve com frequência quando as pessoas falam sobre a missão GRACE. Uma vez que os satélites gêmeos da NASA / Recuperação da Gravidade Alemã e Experimento Climático (GRACE) foram lançados em 17 de março, 2002, seus dados transformaram a visão dos cientistas de como a água se move e é armazenada ao redor do planeta. "GRACE permitiu rastrear o movimento da água através de sua massa, um campo que não estava disponível em sensoriamento remoto espacial e que abriu novas opções para monitorar e quantificar as mudanças climáticas, "disse Reinhard Hüttl, o Presidente do Conselho e Diretor Científico Executivo do Helmholtz Centre Potsdam - GFZ German Research Centre for Geociences.

Como muitas outras revoluções, GRACE começou com uma ideia radical. O investigador principal Byron Tapley (Centro de Pesquisa Espacial da Universidade do Texas (UTCSR) em Austin) disse:"A ideia completamente nova sobre o GRACE era a percepção de que medir e rastrear a massa fornece uma maneira de sondar o sistema terrestre." Medir as mudanças na massa tem sido a chave para descobrir como a água e a Terra sólida estão mudando em lugares que os humanos não podem ir e não podem ver.

O peso da água

Quanto maior a massa de um objeto, quanto maior sua atração gravitacional. Por exemplo, os Alpes exercem mais atração gravitacional do que a planície norte-alemã plana. Os humanos não percebem a pequena diferença, mas os satélites sim. Enquanto orbita a Terra, os satélites aceleram ligeiramente à medida que se aproximam de um recurso massivo e diminuem à medida que se afastam.

A grande maioria da atração gravitacional da Terra se deve à massa do interior da Terra. Uma pequena parte, Contudo, é devido à água na superfície da Terra ou perto dela. O oceano, rios, geleiras e água subterrânea mudam muito mais rapidamente do que o interior da Terra, respondendo às mudanças das estações e às tempestades, secas e outros efeitos do tempo e do clima. GRACE cresceu a partir do reconhecimento de que uma missão especialmente projetada poderia realmente observar essas mudanças do espaço e revelar os segredos ocultos do ciclo da água.

O GRACE mede as mudanças na massa por meio de seus efeitos em satélites gêmeos orbitando um atrás do outro a cerca de 220 quilômetros de distância. As espaçonaves estão constantemente emitindo pulsos de microondas umas para as outras e cronometrando a chegada dos sinais de retorno, que se traduz na distância que separa os satélites gêmeos. Mudanças na atração gravitacional alteram essa distância muito ligeiramente - em apenas alguns mícrons de largura, isso é, uma fração do diâmetro de um cabelo humano. O GPS mantém o controle de onde a espaçonave está em relação à superfície da Terra, e os acelerômetros a bordo registram as forças na espaçonave além da gravidade, como o arrasto atmosférico e a radiação solar. Os cientistas processam todos esses dados para produzir mapas mensais das variações regionais na gravidade global e as correspondentes variações de massa de superfície.

"Quando a NASA selecionou este complexo, missão de alta precisão para lançamento no programa Earth System Science Pathfinder e eu entrei no projeto GRACE no final do século passado como gerente de projeto GRACE da Alemanha, Achei que talvez fosse um pouco improvável que isso funcionasse e produzisse uma série temporal tão longa e incrível de mapas mensais do transporte de massa global, "lembra Frank Flechtner (GFZ), hoje o co-investigador principal e sucessor do Co-PI original e ex-diretor do Departamento de "Geodésia" da GFZ, Christoph Reigber.

Flechtner credita o sucesso da missão a uma estreita colaboração entre a NASA e os Estados Unidos / Alemanha de maneira muito tranquila, UTCSR, o Centro Aeroespacial Alemão (DLR), Airbus Defense and Space em Friedrichshafen e GFZ. “É como se fôssemos uma família nos dois lados do Atlântico”.

Os satélites GRACE foram construídos na Alemanha na Airbus D&S sob contrato do Jet Propulsion Laboratory (JPL) da NASA, Pasadena. As operações da missão são realizadas no Centro de Operações Espaciais Alemão (GSOC) da DLR em Oberpfaffenhofen e a DLR adquiriu um "Rockot" russo como veículo de lançamento. A GFZ faz parte do GRACE Science Data System com parceiros JPL e UTCSR e está contribuindo para as operações da missão por meio de sua própria estação de recepção de satélite em Ny-Ålesund, Spitzbergen, e fornecer o vice-gerente de operações da missão. O financiamento das operações de missão de hoje é conjuntamente garantido pela GFZ, DLR e programa de missões de terceiros da ESA.

O que GRACE viu?

Ao longo dos 15 anos de operação do GRACE, pesquisadores de instituições em todo o mundo desenvolveram técnicas inovadoras para usar o conjunto de dados e combiná-lo com outras observações e modelos para novas percepções do sistema terrestre. Aqui estão alguns destaques.

Água subterrânea. A água armazenada no solo e nos aquíferos abaixo da superfície da Terra é medida de forma muito esparsa em todo o mundo. O hidrólogo Matt Rodell, do Goddard Space Flight Center da NASA, Cinto Verde, Maryland, fez sua pesquisa de doutorado sobre os usos hidrológicos do GRACE. Rodell disse que ninguém adivinhou antes do lançamento que GRACE revelaria esgotamento desconhecido das águas subterrâneas, mas na última década, Jay Famiglietti do JPL, Rodell e outros pesquisadores descobriram mais e mais locais onde os humanos estão bombeando a água subterrânea mais rápido do que ela é reposta. Em 2015, Famiglietti e colegas publicaram uma pesquisa abrangente mostrando que um terço das maiores bacias de água subterrânea da Terra estão se esgotando rapidamente.

Solos secos podem aumentar o risco de seca ou aumentar a duração de uma seca. Rodell e sua equipe fornecem dados GRACE sobre umidade profunda do solo e água subterrânea para o Monitor de Secas dos EUA a cada semana, usando um modelo de hidrologia para calcular como a umidade está mudando ao longo do mês entre um mapa e o outro.

Os sistemas de previsão de cheias precisam de informações em tempo quase real (NRT) para estimar a geração e o desenvolvimento provável do evento de cheia em termos de vazão do rio e estágio de cheia com tempos de espera típicos de alguns dias para bacias de rios maiores. O Serviço Europeu de Gravidade para Gerenciamento Melhorado de Emergências (EGSIEM), financiado pela UE, desenvolveu esses produtos de gravidade NRT diários e indicadores de inundação correspondentes para serem usados ​​no Centro de Informações de Crise por Satélite da DLR em um teste operacional iniciado em 1º de abril.

Lençóis de gelo e geleiras. A Antártica é, mãos para baixo, o pior lugar do mundo para coletar dados, e a Groenlândia não fica muito atrás. No entanto, precisamos saber a rapidez com que essas camadas de gelo estão derretendo para compreender a taxa e as variações do aumento do nível do mar em todo o mundo. Os cientistas que estudam a criosfera estão entre os primeiros a começar a trabalhar com os dados do GRACE para extrair as informações de que precisam. As perdas de gelo na Groenlândia e na Antártica foram drasticamente maiores do que as estimadas anteriormente usando estimativas da variação da altura das camadas de gelo e outros tipos de dados. Desde o lançamento do GRACE, suas medições mostram que a Groenlândia tem perdido cerca de 280 gigatoneladas de gelo por ano em média, e a Antártica um pouco menos de 120 gigatoneladas por ano. Os cientistas da GFZ, Ingo Sasgen (agora no Alfred-Wegener-Institute em Bremerhaven) e Henryk Dobslaw, onde, além disso, foram capazes de relacionar variações interanuais na queda de neve e, portanto, o acúmulo de massa na Península Antártica monitorado pelo GRACE para a força de um sistema de baixa pressão atmosférica situado sobre o Mar de Amundsen. Uma vez que o próprio sistema de baixa pressão é particularmente forte durante as condições tropicais de La Niña, os dados do GRACE permitiram, pela primeira vez, quantificar a eficácia de um processo de teleconexão atmosférica que liga o clima tropical até mesmo a regiões muito remotas e bastante isoladas como a Antártica. Há indicações de que ambas as taxas de fusão estão aumentando.

Mas também para geleiras interiores, GRACE fornece evidências em grande escala para a rápida perda de massa de gelo em muitas áreas montanhosas em todo o mundo, colocando em risco o abastecimento de água de longo prazo em suas terras dianteiras. Para a Ásia Central, uma equipe de pesquisa internacional liderada pelos pesquisadores do GFZ Daniel Farinotti e Andreas Güntner estimou a partir dos dados do GRACE que atualmente o Tien Shan está perdendo gelo a um ritmo que é quase o dobro do consumo anual de água de toda a Alemanha. Combinando isso com modelagem glaciológica, eles estimam que metade do volume total de gelo da geleira presente no Tien Shan hoje pode ser perdido até 2050. Veja aqui o comunicado à imprensa em inglês.

Ocean Dynamics. O nível do mar está aumentando à medida que o gelo derrete e a água do mar se aquece e se expande. Os cientistas têm uma visão muito precisa, medição contínua da altura do nível do mar em todo o mundo começando em 1992 com a missão NASA-French Topex-Poseidon e continuando através da série de missões Jason. As medições do nível do mar do altímetro, Contudo, veja apenas o efeito total das mudanças na altura do oceano devido a ambos, a temperatura do oceano e adição de água através do derretimento do gelo e do escoamento da terra. Para obter uma visão detalhada de quais processos estão por trás dessas mudanças, os cientistas precisam examinar as causas:o oceano está ficando mais quente ou há mais água adicionada aos oceanos? Com graça, somos capazes de distinguir entre a redistribuição da massa de água e as mudanças de temperatura. Inga Bergmann da GFZ demonstrou que GRACE é capaz de monitorar as variações temporais do transporte de massa de água na Corrente Circumpolar Antártica até períodos sub-mensais, fornecendo assim uma visão em grande escala muito melhor sobre a dinâmica da corrente oceânica mais forte na Terra do que anteriormente disponível a partir de dados oceanográficos in situ.

Mudanças na Terra Sólida. O manto viscoso sob a crosta terrestre também se move ligeiramente em resposta às mudanças de massa da água perto da superfície. GRACE tem uma comunidade de usuários que estão calculando essas mudanças para suas pesquisas. Os cientistas do JPL, Surendra Adhikari e Erik Ivins, recentemente usaram os dados do GRACE para calcular como não apenas a perda do manto de gelo, mas também o esgotamento das águas subterrâneas realmente mudaram a rotação da Terra à medida que o sistema se ajusta a esses movimentos de massa.

Os planejadores do GRACE não tinham muita esperança de que a medição da missão pudesse ser usada para localizar as mudanças abruptas na massa associadas aos terremotos por causa da diferença de escala:os terremotos são repentinos e locais, enquanto os mapas mensais do GRACE cobrem em média uma área com o dobro do tamanho da Baviera e um mês inteiro. Contudo, criando novas técnicas de modelagem e processamento de dados, pesquisadores descobriram uma maneira de isolar os efeitos do terremoto. "Somos capazes de medir a mudança instantânea de massa em um terremoto, e descobrimos que há um relaxamento mensurável que ocorre por um ou dois meses após o terremoto, "Tapley disse. Essas medições fornecem insights sem precedentes sobre o que está acontecendo muito abaixo da superfície da Terra.

Sondagem atmosférica. O objetivo científico secundário da missão GRACE é obter cerca de 150 perfis verticais de temperatura e umidade da atmosfera globalmente distribuídos e muito precisos, por dia, usando a técnica de rádio-ocultação (RO) GPS. "Essas medições são de extremo interesse para os serviços de meteorologia e estudos relacionados às mudanças climáticas. Portanto, estamos fornecendo esses perfis 24 horas por dia, 7 dias por semana, no máximo duas horas após a medição a bordo dos satélites para os centros meteorológicos líderes mundiais, por exemplo., ECMWF (Centro Europeu de Previsões Meteorológicas de Médio Prazo), MetOffice, MeteoFrance, NCEP (Centros Nacionais de Previsão Ambiental) ou DWD (Deutscher Wetterdienst) para melhorar suas previsões globais ", disse Jens Wickert, Gerente de RO da GFZ.

O futuro

Aos 15 anos, GRACE durou três vezes mais tempo do que o planejado originalmente. Os gerentes de projeto fizeram todo o possível para estender sua vida útil, mas a espaçonave ficará sem combustível em breve - provavelmente neste verão. NASA e GFZ têm trabalhado desde 2012 em uma segunda missão GRACE chamada GRACE Follow-On, com a Alemanha novamente adquirindo o veículo de lançamento, operações de missão e os satélites gêmeos construídos novamente na Airbus D&S na Alemanha.

GRACE-FO está programado para lançamento entre dezembro de 2017 e fevereiro de 2018. A nova missão se concentra em continuar o registro de dados de sucesso do GRACE. Os novos satélites usam hardware semelhante ao GRACE e também levarão um demonstrador de tecnologia que usa um novo interferômetro de alcance a laser (LRI) para rastrear a distância de separação entre os satélites. O LRI é um desenvolvimento conjunto dos EUA / Alemanha e tem o potencial de produzir uma medição inter-satélite ainda mais precisa e um mapa de gravidade resultante.

Com GRACE-FO para continuar o legado revolucionário, certamente haverá descobertas mais inovadoras à frente. Mais importante, no entanto, os cientistas podem continuar a monitorar as mudanças em nosso precioso recurso hídrico global.