Місії GRACE (2002–2017) та GRACE-FO (від 2018): вимірювання змін гравітації Землі

У рамках спільного проекту NASA та Німецького центру аерокосмічних досліджень DLR було створено місію GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment), яка стартувала 17 березня 2002 року. Два ідентичні супутники розробили компанії Astrium (платформи на основі досвіду місії CHAMP) і вивели на низькі полярні орбіти (~500 км). Вони рухалися один за одним з регулярним розділенням близько 220 км [1]. Місія поставила за мету створити високоточні моделі гравітаційного поля Землі та відстежувати його змінні компоненти – перш за все ті, що викликані перерозподілом води (льодовики, ґрунтові води, океанічні маси тощо). GRACE виконувала спостереження з березня 2002 по жовтень 2017 року. Продовженням її даних стала місія GRACE Follow-On (GRACE-FO), запущена 22 травня 2018 року. Вона використовує ті самі основні принципи й інструменти, що і GRACE, але доповнена експериментальною технологією для підвищення точності вимірювань [2, 5].

Два супутники місії GRACE-FO на полярній орбіті Землі (художнє зображення). Зображення NASA.

Ключові науковці та установи

Місії GRACE/GRACE-FO були спільною ініціативою міжнародних космічних і наукових організацій. Головними партнерами були NASA (Jet Propulsion Laboratory, Goddard Space Flight Center) і DLR (Німеччина), а також Німецький центр геонаук GFZ (Потсдам). Значну роль відіграв Університет Техасу (центр космічних досліджень, UT CSR) – там створювали бортове програмне забезпечення та обробляли дані. Під час проєктування й побудови супутників залучалися Європейське космічне агентство (ESA) і кілька промислових підрядників (Astrium/Airbus, Space Systems/Loral, Onera тощо).

Центр космічних польотів Goddard Space Flight Center. Зображення NASA, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=47525745

Серед провідних науковців, що стояли за місіями, – Байрон Таплі (Byron D. Tapley, університет Техасу), який був основним науковим керівником GRACE і одним з авторів огляду Nature Climate Change про її результати; Майкл Воткінс (Michael Watkins, JPL), який початково очолював науку GRACE і згодом став директором JPL; Ізабелла Велічоґна (Isabella Velicogna, JPL/UCI) – провідний дослідник криосфери і автор багатьох доповідей з оцінки маси льоду; Інгo Зазген (Ingo Sasgen, AWI, Німеччина), координатор криошари та співавтор фундаментальних статей про втрати льоду; а також Surendra Adhikari і Erik Ivins (JPL), які розкрили вплив водного розподілу на вісь обертання Землі. Усі вони та багато інших зробили значний внесок у розвиток фізичної геодезії та кліматичної науки за допомогою даних GRACE.

Для обробки та зберігання даних функціонувала міжнародна наукова інфраструктура: NASA (Goddard, JPL) та GFZ підтримують систему розповсюдження продуктів місії (сервіс ISDC Potsdam, PO.DAAC). Наукова спільнота щомісяця аналізувала нові карти зміни маси Землі, що видавалося регулярними дата-релізами та публікаціями в наукових журналах  [1, 11, 12].

Конструкція та інструменти супутників

Супутники GRACE під час тестування в чистій кімнаті (2002). Обидва супутники GRACE мали однакові розміри та спорядження. Корпус апарата – прямокутний паралелепіпед розмірами приблизно 1,94 × 3,12 × 0,72 м, масою ≈487 кг. Живлення забезпечували чотири сонячні панелі (28 В) і десять Ni-H2 акумуляторів (до 16 А·год). На супутниках розташовані ключові наукові прилади: міжсупутниковий мікрохвильовий далекомір (KBR), два GPS-антени, мікроакселерометр SuperSTAR, оптичні датчики зоряного наведення і лазерні ретрорефлектори(LRR) для незалежних наземних вимірювань. Також використовуються магнітометри і реактивні двигуни для контролю орієнтації. Спочатку супутники виготовлялися Astrium у Німеччині за участю JPL і Space Systems/Loral (США) [5, 6].

Системи та інструменти на борту космічного корабля GRACE. NASA GRACE Launch Press Kit (http://www.jpl.nasa.gov/news/press_kits/gracelaunch.pdf), Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=40928261

Місія GRACE-FO використовує практично той самий тип супутників. Вони мають ті ж розміри і оснащення, що і GRACE, але доповнені лазерним інтерферометром. Таким чином, пара супутників GRACE-FO – це дві практично ідентичні платформені конструкції, які обертаються полярною орбітою (~500 км) із відстанню ~220 км між собою. На відміну від базового GRACE, супутники GRACE-FO тестують LRI, що забезпечує набагато вищу роздільну здатність у вимірюванні міжсупутникової відстані. Важливими особливостями конструкції є зсув маси та розміщення акселерометра точно в центр тяжіння супутника, що мінімізує помилки у відліку неврахованих сил [4, 6].

Важливі параметри апаратів наведено нижче:

• Розміри супутника: 1,94 × 3,12 × 0,72 м; маса ≈487 кг.

• Живлення: сонячні панелі (28 В) і Ni–H₂ акумулятори.

• Прилади: мікрохвильовий далекомір (24/32 ГГц, KBR), GPS-ресивери, SuperSTAR-акселерометр, зоряні датчики, лазерний ретрорефлектор.

• Додатково (GRACE-FO): лазерний інтерферометр LRI для високоточних вимірювань.

Принцип вимірювання гравітаційних аномалій

Основна ідея GRACE/GRACE-FO – вимірювати зміну відстані між двома космічними апаратами як наслідок локальних змін маси під ними. Кожний із парних супутників оснащено суперкогерентною мікрохвильовою міжсупутниковою далекомірною системою (K/Ka-бендова, або MWI), що відправляє сигнали між апаратами на частотах ~24 і 32 ГГц. Змінюючи фазу переданих хвиль, система реєструє найменші відхилення відстані між супутниками. Коли передній супутник пролітає над регіоном із більшим зосередженням маси (гірський масив, льодовик, підземне озеро тощо), він отримує трохи більшого гравітаційного прискорення і «віддаляється» від свого наступника. Потім ролі змінюються – відстаючий апарат долає геомасу, і відстань між ними зменшується. Завдяки вишуканій обробці сигналу GRACE-FO фіксувала такі зміни дистанції з точністю до ~1 мікрометра (порівнянно з діаметром людської клітини). Це відповідає виявленню гравітаційної різниці маси, еквівалентної шару води товщиною ~1 см, покладеного на діаметр ~300 км. Супутники також несуть GPS-ресивери для дуже точного визначення орбітальної позиції (до сантиметра) і синхронізації часу [3].

Глобальна анімація аномалії гравітації над ЗЕМЛЕЮ від GRACE НАСА (Експеримент з відновлення тяжіння та клімату). Зображення NASA. Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=8963331

Для того щоб у вимірюваннях залишалися тільки гравітаційні ефекти, на борту кожного супутника встановлено високоточний мікроакселерометр (ONERA SuperSTAR). Він відчуває всі інші сили (атмосферний опір, сонячне випромінювання тощо) і дозволяє коригувати дані за рахунок цих збурень. Таким чином, системи GPS, мікрохвильовий далекомір і акселерометр працюють разом: GPS визначає положення супутників, акселерометр віднімає небажані прискорення, а міжсупутниковий далекомір фіксує чисті зміни дистанції під впливом гравітації [4].

GRACE-FO від 2018 року використовує той самий підхід і ті ж прилади, але ще додала нову технологію – лазерний інтерферометр (LRI). Лазерна установка (1064 нм) дозволяє вимірювати міжсупутникову відстань ще точніше (впорядки вищою роздільною здатністю через меншу довжину хвилі). Експериментально доведено, що LRI може підвищити точність у ~10 разів порівняно зі стандартним мікрохвильовим методом. LRI було розроблено в США і Німеччині спільно (JPL, Ball, DLR, Max Planck AEI) як технологічний демонстратор для майбутніх місій [4, 8].

Основні результати та відкриття GRACE/GRACE-FO

Місії GRACE та GRACE-FO «відкрили» цілу низку зміщень маси в гідросфері та криосфері Землі. Серед головних об’єктів – льодовикові покриви і льодовики: супутники щомісяця вимірювали масові втрати льоду у Гренландії та Антарктиді. Наприклад, за період роботи GRACE середньорічна втрата льоду в Гренландії становила ≈258 гігатонн на рік, а в Антарктиді – ≈137 гігатонн/рік. Ці цифри підтвердили швидке танення крижаних щитів – Гренландія втрачає лід у 2 рази швидше, ніж на початку 2000-х [12]. Важливо, що GRACE зміг щомісячно «бюджетувати» втрати льоду в усьому світі, показавши сезонні та інтер­річні коливання (наприклад, сильне танення влітку у північній півкулі, вплив Ель-Ніньйо на Антарктику).

• Льодовики та крижаний покрив. GRACE однозначно підтвердив, що танення полярних льодовиків – основна причина підйому рівня моря. За даними GRACE, від 2005 до 2016 рр. глобальний рівень піднімався ≈3,7 см/декаду, і ~2/3 цього зростання спричинені таненням льодовиків та льодовикових щитів. Іншими словами, вода, що звільняється із льоду, прямо компенсує надходження у Світовий океан. GRACE показав також нетривіальні «геофізичні зв’язки»: наприклад, об’єм води, що виливається з полярних шапок, майже точно відповідає приросту океану, підтверджуючи замкнутість системи маси [12].

• Підземні води та ґрунтова волога. GRACE зареєстрував, деякі регіони планети втрачають водосполучну масу. Зокрема, значне виснаження ґрунтових вод спостерігається в посушливих районах (наприклад, Західне узбережжя США, Індія), оскільки водоспоживання випереджає поповнення опадами [7, 10]. Дані GRACE використовують для моніторингу стану ґрунтової вологи і попередження катастроф. Наприклад, Європейська система EGSIEM з GRACE аналізує рівень насичення ґрунту до паводків, що дозволяє підвищити точність прогнозів на кілька тижнів. Аналогічно, U.S. Drought Monitor інкорпорує дані GRACE для оцінки запасів води в ґрунті при складанні карт посухи [11].

• Океанічні процеси. GRACE вимірює також зміну маси океану – наприклад, обсяги води, які додаються або забираються в морях. У поєднанні з даними радіоальтиметрії (вимірювання висоти рівня моря) і високоточним геоїдичним полем GRACE це дає змогу реконструювати динамічну топографію океану. Динамічна топографія – це нахил середньої поверхні моря відносно рівня ідеального геоїда, який формується нерівномірним гравітаційним полем. З неї можна вивести середні океанічні течії: наприклад, положення й швидкість Ґольфстріму визначаються градієнтами динамічної топографії. Сучасні результати показують, що поєднання GRACE та інших місій (GOCE, альтиметрія) дає надзвичайно точні карти геоїда і океану для океанографічних досліджень [10].

• Інші явища. GRACE виявляє і зміни гравітації, пов’язані з великими природними подіями. Наприклад, супутники зафіксували дрібномасштабні зміни гравітації після сильних землетрусів і вивержень – коли маси земної кори змінюють своє положення, навіть незначно, це відображається в гравітаційному полі. Крім того, аналіз GRACE дав пояснення феноменам зміни обертання Землі: вчені з JPL виявили, що незвичайний поворот осі (так званий дрейф Чандлера на початку 2000-х) був пов’язаний із перерозподілом маси ґрунтових вод, а не безпосередньо з таненням льоду. Ці результати вказують, що GRACE-чутливі процеси впливають навіть на такі геодинамічні параметри, як вектор обертання Землі [11].

Важливо, що всі наведені висновки базуються на щомісячних гравітаційних картах, які GRACE/GRACE-FO будували та вдосконалювали з часом. Від моніторингу зміни льодовиків до відстеження ґрунтової вологи – GRACE дала вченим безпрецедентний «погляд» на рух води та мас усередині планети.

Використані джерела:

1. NASA (Jet Propulsion Laboratory). GRACE | Mission – GRACE Tellus [Електронний ресурс]. Jet Propulsion Laboratory. URL: https://grace.jpl.nasa.gov/mission/grace/

2. GFZ Potsdam (Німецький центр геонаук). Gravity Recovery and Climate Experiment – Follow-On Mission (GRACE-FO) [Електронний ресурс]. GFZ. URL: https://www.gfz-potsdam.de/en/projects/global-geomonitoring-and-gravity-field/grace-fo/

3. NASA (Jet Propulsion Laboratory). GRACE Launch Press Kit. March 2002 [Електронний ресурс]. NASA. URL: https://grace.jpl.nasa.gov/system/internal_resources/details/original/98_gracelaunch_press_kit.pdf

4. GFZ Potsdam (Німецький центр геонаук). The GRACE Payload [Електронний ресурс]. GFZ. URL: https://www.gfz-potsdam.de/en/section/global-geomonitoring-and-gravity-field/projects/closed-projects/grace-gravity-recovery-and-climate-experiment-mission/the-grace-payload

5. NASA (Jet Propulsion Laboratory). Overview – Mission (GRACE-FO) [Електронний ресурс]. NASA JPL. URL: https://gracefo.jpl.nasa.gov/mission/overview/

6. NASA (Jet Propulsion Laboratory). Spacecraft Overview – GRACE-FO [Електронний ресурс]. NASA JPL. URL: https://gracefo.jpl.nasa.gov/mission/spacecraft/overview/

7. NASA (Jet Propulsion Laboratory). NASA’s GRACE: What We’ve Learned from Water in Motion (May 2019) [Електронний ресурс]. NASA. URL: https://www.nasa.gov/missions/grace/nasas-grace-what-weve-learned-from-water-in-motion/

8. NASA (Jet Propulsion Laboratory). Laser Ranging Interferometer – GRACE-FO [Електронний ресурс]. NASA JPL. URL: https://gracefo.jpl.nasa.gov/laser-ranging-interferometer/

9. NASA (Jet Propulsion Laboratory). Contributions of GRACE to Understanding Climate Change [Електронний ресурс]. NASA. URL: https://www.nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/water_in_motion_grace_climate_change_summary.pdf

10. NASA (Jet Propulsion Laboratory). Dynamic Ocean Topography [Електронний ресурс]. NASA JPL. URL: https://grace.jpl.nasa.gov/data/get-data/dynamic-ocean-typography/

11. NASA (Jet Propulsion Laboratory). NASA Study Solves Two Mysteries About Wobbling Earth (April 2016) [Електронний ресурс]. NASA. URL: https://grace.jpl.nasa.gov/news/82/nasa-study-solves-two-mysteries-about-wobbling-earth/

12. NASA (Global Climate Change). GRACE, GRACE-FO Satellite Data Track Ice Loss at the Poles (March 2020) [Електронний ресурс]. NASA. URL: https://climate.nasa.gov/news/2959/grace-grace-fo-satellite-data-track-ice-loss-at-the-poles/ (дата звернення: 10.05.2025).