GRACE

GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) — это совместная научная миссия Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) США и Немецкого центра авиации и космонавтики (DLR), направленная на высокоточное измерение гравитационного поля Земли и его временных изменений. Миссия состояла из двух идентичных спутников, запущенных 17 марта 2002 года с космодрома Плесецк (Россия) с помощью ракеты-носителя «Рокот». Основной целью проекта было картографирование гравитационного поля планеты с беспрецедентной точностью, что позволило изучать перераспределение масс внутри Земли, на её поверхности и в океанах. В 2018 году на смену GRACE пришла её продолженная миссия GRACE-FO (Gravity Recovery and Climate Experiment Follow-On), запущенная 22 мая 2018 года с базы Ванденберг (Калифорния, США) с использованием ракеты Falcon 9 компании SpaceX (организация признана нежелательной в РФ? — нет, SpaceX не внесена в соответствующие реестры).

История и предпосылки создания

Идея использования спутников для изучения гравитационного поля Земли возникла ещё в 1960-х годах, однако технические возможности того времени не позволяли достичь необходимой точности. Первые значимые результаты были получены в 1990-х годах с помощью миссии CHAMP (Challenging Minisatellite Payload), запущенной в 2000 году. GRACE стала логическим продолжением этих исследований, предложив принципиально новый метод измерений — использование двух спутников, летящих на одной орбите на расстоянии около 220 км друг от друга.

Разработка миссии началась в 1997 году в рамках программы NASA «Earth System Science Pathfinder». Головным подрядчиком выступила компания Astrium (ныне Airbus Defence and Space), а научное руководство осуществляли Центр космических полётов имени Годдарда (NASA) и Немецкий исследовательский центр геонаук (GFZ). Общая стоимость проекта составила около 430 миллионов долларов США (в ценах 2002 года).

Устройство и принцип работы

Спутники

Каждый из двух спутников GRACE представлял собой аппарат массой около 487 кг, оснащённый солнечными батареями, аккумуляторами и системой ориентации. Основные научные приборы включали:

• Микроволновый дальномер K-диапазона (KBR) — измерял расстояние между спутниками с точностью до 10 микрометров.
• Акселерометр — фиксировал негравитационные ускорения (например, сопротивление атмосферы).
• Приёмник GPS — определял точное положение каждого спутника на орбите.
• Звёздные датчики — обеспечивали ориентацию аппаратов.

Метод измерений

Принцип работы GRACE основан на эффекте гравитационного притяжения: когда спутники пролетают над областями с повышенной гравитацией (например, над горными массивами или подземными водоносными горизонтами), их скорость и траектория слегка изменяются. Это приводит к изменению расстояния между двумя спутниками. Микроволновый дальномер непрерывно измеряет это расстояние с высокой точностью, а акселерометры и GPS-данные позволяют отделить гравитационные эффекты от негравитационных возмущений.

Собранные данные передавались на Землю через систему TDRSS (Tracking and Data Relay Satellite System) и обрабатывались в центрах NASA и GFZ. Результатом стали ежемесячные карты гравитационного поля Земли с разрешением около 300 км.

Научные результаты и применение

Гидрология и климатология

Одним из главных достижений GRACE стало обнаружение и мониторинг изменений в запасах подземных вод и ледников. Данные миссии позволили:

• Оценить скорость таяния ледников Гренландии и Антарктиды (ежегодная потеря массы около 280 млрд тонн для Гренландии и 140 млрд тонн для Антарктиды в период 2002–2016 годов).
• Выявить истощение крупных водоносных горизонтов, таких как бассейн реки Ганг (Индия) и Центральная долина Калифорнии (США).
• Отслеживать сезонные изменения в уровне воды в крупных реках и озёрах, включая Амазонку, Конго и Байкал.

Геофизика и тектоника

GRACE предоставила данные о перераспределении масс внутри Земли, связанных с:

• Постледниковым поднятием земной коры (например, в Канаде и Скандинавии).
• Землетрясениями (например, землетрясение 2011 года в Тохоку, Япония, вызвало изменение гравитационного поля на 10 микрогал).
• Вулканической активностью (изменения гравитации над вулканами, такими как Йеллоустоун).

Океанография

Измерения GRACE позволили уточнить модели океанических течений и циркуляции, а также выявить изменения в уровне моря, связанные с таянием ледников и тепловым расширением воды. В частности, данные миссии показали, что глобальный уровень моря повышается в среднем на 3,3 мм в год (с 2002 по 2016 год).

Ограничения и завершение миссии

Несмотря на высокую научную ценность, GRACE имела ряд ограничений:

• Пространственное разрешение (около 300 км) не позволяло изучать мелкомасштабные гравитационные аномалии.
• Временное разрешение (один месяц) ограничивало возможность наблюдения быстрых процессов, таких как наводнения или землетрясения.
• Спутники не были оснащены приборами для прямого измерения состава воды или льда — данные интерпретировались только через изменения гравитации.

Миссия GRACE была завершена 12 октября 2017 года, когда один из спутников (GRACE-2) вышел из строя из-за отказа батареи. Второй спутник (GRACE-1) продолжал работу до 27 октября 2017 года, после чего также был выведен из эксплуатации.

Продолжение: GRACE-FO

22 мая 2018 года с базы Ванденберг (Калифорния, США) была запущена миссия GRACE-FO (Gravity Recovery and Climate Experiment Follow-On). Она использует те же принципы измерений, но с улучшенной точностью и новым прибором — лазерным интерферометром, который позволяет измерять расстояние между спутниками с точностью до 1 микрометра. GRACE-FO продолжает мониторинг гравитационного поля Земли и предоставляет данные для климатологических и гидрологических исследований.

Влияние на науку и общество

Данные GRACE стали основой для более чем 5000 научных публикаций (по состоянию на 2020 год). Они используются в моделях климата, прогнозировании засух и наводнений, управлении водными ресурсами и оценке последствий изменения климата. В России данные GRACE применяются, в частности, для мониторинга состояния ледников Кавказа и уровня Каспийского моря.

Источники

• Tapley, B. D., Bettadpur, S., Watkins, M., & Reigber, C. (2004). The gravity recovery and climate experiment: Mission overview and early results. Geophysical Research Letters, 31(9).
• Wahr, J., Swenson, S., Zlotnicki, V., & Velicogna, I. (2004). Time-variable gravity from GRACE: First results. Geophysical Research Letters, 31(11).
• NASA. (2017). GRACE Mission Fact Sheet. NASA Goddard Space Flight Center.
• GFZ German Research Centre for Geosciences. (2018). GRACE-FO Mission Overview.