В 2002 году, 17 марта, в космос был запущен германо-американский спутник GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment – гравитационное восстановление и климатический эксперимент) для моделирования глобального гравитационного поля Земли с беспрецедентной точностью. Миссия продлилась 15 лет – более чем в три раза дольше, чем ожидалось. Перед тем как сгореть в атмосфере нашей планеты в конце 2017 – начале 2018 годов, он собрал информацию о гравитационном поле Земли и его изменениях во времени в течение более 160 месяцев.
В основу дистанционного зондирования Земли спутником GRACE была положена так называемая спутниковая гравиметрия с временным разрешением, которая позволяет, помимо основной задачи, контролировать наземный круговорот воды, баланс массы ледяных покровов и ледников, изменение уровня моря и, таким образом, лучше понимать закономерности явлений глобальной климатической системы. А это позволяет более точно оценить важные климатические тенденции и прогнозировать возможные последствий.
Работа спутника основана на известной физической закономерности: чем больше масса объекта, тем больше его гравитационное притяжение. Например, Альпы оказывают более сильное гравитационное притяжение, чем северогерманские низменности. Когда спутники вращаются вокруг Земли и пролетают над массивной областью (с большей гравитацией), они приближаются к ней максимально близко и замедляются по мере удаления.
Крошечная часть гравитации, исходящей от Земли, формируется водой на поверхности или вблизи поверхности планеты в океанах, реках, озерах, ледниках и под землей. Эта вода «реагирует» на времена года, штормы, засухи или другие погодные явления. GRACE использовал эту реакцию воды, записав её в виде микроволн изменяющейся в пространстве гравитации. Интерпретация полученных данных в дальнейшем позволила определять расстояния, на которые перемещается водный массив, объем, температуру, глубину фазовое состояние. Из этих данных исследователи сформировали ежемесячные карты региональных изменений гравитационного притяжения Земли и причинных изменений масс на поверхности.
Результаты, полученные с помощью спутника GRACE, опубликованы в журнале Nature Climate Change.
GRACE произвел первое прямое измерение потери массы льда в ледниках за всю историю. Ранее подобные оценки возможно было реализовать только косвенными методами. В течение первых двух лет миссии уже наблюдались четкие тенденции потери массы льда в Гренландии и Антарктиде. По данным GRACE, в период с апреля 2002 года по июнь 2017 года Гренландия теряла около 260 миллиардов тонн льда в год, Антарктика – около 140 миллиардов тонн. В дополнение к долгосрочным тенденциям данные гравитационного поля также свидетельствуют о прямом воздействии глобальных климатических явлений, таких как «Эль-Ниньо», на ледяные покровы во всем мире.
Одним из наиболее значительных вкладов миссии GRACE было обнародование изменяющегося пресноводного запаса Земли, который имеет глубокие последствия для экологической, продовольственной и национальной безопасности. Глобальные оценки тенденций GRACE прогнозируют увеличение запаса воды в высоких (ближе к полюсам) и низких широтах (зона экватора) с уменьшением запаса в средних широтах. Хотя записи GRACE являются относительно малыми в разрезе истории планеты, это наблюдение крупномасштабных изменений в глобальном гидрологическом цикле стало важным, поскольку подтвердило ряд негативных сценариев развития климатических показателей.
Анализ данных GRACE позволил получить первые в истории оценки изменений запасов подземных вод из космоса. Они подтверждают чрезмерное истощение подземных вод большинства горизонтов по всему миру. Данные о залегании грунтовых вод также способствовали проверке и калибровке различных климатических моделей.
В течение этого столетия повышение уровня моря может ускориться до 10 миллиметров в год – беспрецедентный показатель за последние 5000 лет и серьезное прямое следствие потепления климата. Среднегодовой показатель повышения за последние 20 лет составил 3,8 мм. GRACE показала, что из них 2,5 мм вызваны притоком воды от таяния ледников, а 1,1 мм – тепловым расширением воды. Разрешение этого вопроса важно для прогнозов уровня моря в ближайшем будущем. GRACE показал, что большая часть потепления, вызванного повышением температуры, происходит в верхних 2000 метрах океанов, которые являются наиболее важными аккумуляторами энергии в климатической системе Земли. GRACE также способствует лучшему пониманию динамики и воздействия океанских течений, в частности для Северного Ледовитого океана.
Данные гравитационного поля нашей планеты, полученные спутником GRACE, помогают улучшить систему мониторинга засухи в США. Уже сейчас это помогает властям США своевременно и разумно реагировать на данный вид стихийного бедствия.
Удивительно, но то, чего мы не видим и не можем осязать, то есть гравитация, послужила на редкость ценным инструментом в познании глобальных явлений и процессов. Кроме того, с её помощью удалось подтвердить много научных предположений, объясняющих генезис ряда экологических проблем. Вполне возможно, что в ближайшем будущем это свойство пространства будет задействовано в новых практических направлениях человеческой деятельности.
