2024 年 3 月 19日
- 德國太空總署 DLR 和美國太空總署 NASA 正在透過「重力恢復和氣候實驗 - 連續性」（簡稱 GRACE-C）繼續從太空進行重力場測量。該任務提供了對地球水循環變化的獨特觀察。
- 德國的捐款由聯邦經濟和氣候保護部(BMWK) 以及聯邦教育和研究部(BMBF) 資助，波茨坦的GeoforschungsZentrum (GFZ) 和馬克斯·普朗克引力物理研究所（阿爾伯特·愛因斯坦）也參與其中研究所）。在漢諾威實施。
- 除此之外，GRACE（2002-2017）和GRACE-FO（2018至今）任務的數據現在已成為政府間氣候變遷專門委員會（IPCC）報告的基礎之一。
- 焦點：太空旅行、氣候變遷、全球變遷
歐洲地中海地區多年來一直乾旱。在西班牙的一些地區，例如巴塞隆納大都市，由於地下水位每年下降三米，處於警報狀態。自 2018 年創紀錄的乾旱年以來，整個非洲大陸的氣溫一直較低，儘管最近發生的洪水等極端天氣事件給人留下了不同的印象。過去20年，德國損失了超過150億噸水。為了獲得這些數據並利用它們來準確了解地下水位和全球水平衡，您必須從太空「觀察」地球表面以下。與其他測量方法一起，來自一對非常特殊的衛星的數據二十多年來一直在這裡提供幫助：2002 年3 月17 日，“湯姆”和“傑瑞”是“重力恢復和氣候實驗”中的首批兩顆衛星」——簡稱 GRACE 任務——發射了美國宇航局 NASA和德國航空航天中心 (DLR)。
22 年後，德國太空總署 DLR和 NASA 繼 GRACE Follow-On (GRACE-FO) 後，第二次利用 GRACE-C 延長了這項非常成功的任務。“C”代表“連續性”，它承認這些環境任務的測量系列的一致性。德國方面，科學參與者包括波茨坦的地理研究中心（GFZ）和漢諾威的馬克斯·普朗克引力物理研究所（阿爾伯特·愛因斯坦研究所；AEI）。這些衛星由空中巴士公司在腓特烈港建造。儀器的重要部件來自伊門施塔德 (STI) 的 SpaceTech GmbH。這兩顆新的 GRACE-C 衛星計畫於 2028 年使用美國太空公司 SpaceX 的獵鷹 9 號火箭發射升空。隨後，位於上普法芬霍芬的 DLR 的德國太空作戰中心 (GSOC)將接管任務控制。
「沒有水就沒有生命。這使得水和乾淨的空氣一起成為地球上最重要的資源。但世界各地的地下水位不斷在改變。這不是小事。20多年來，我們利用GRACE衛星記錄了全球質量傳輸的每一次變化，其精確度使得研究人員能夠以前所未有的準確性和一致性來測量地球的水平衡等。GRACE-C 任務將繼續收集寶貴的數據，這些數據構成政府間氣候變遷專門委員會報告的基礎。” 瓦爾特‧佩爾澤 (Walther Pelzer)，德國航太中心董事會成員兼位於波昂的德國航太中心德國航太局局長。「我們現在與 NASA 一起繼續在地球觀測領域繼續走 GRACE 道路，從而加強我們在太空旅行方面的國際合作。美國和德國長期以來一直在太空氣候和環境研究方面密切合作。我們的美國合作夥伴透過委託建造衛星、交付 GRACE-C 儀器的重要部件以及任務控制，對德國在這些任務中的太空專業知識表示信任，這也是德國太空基地表現的一個標誌。」博士強調。瓦爾特·佩爾澤.
「GRACE-C 是一個國際合作項目，旨在觀察和研究地球上最有價值的資源之一，」尼古拉‧福克斯 (Nicola Fox)，美國太空總署駐華盛頓科學副局長。「從我們的海岸線到我們的餐桌，我們星球的任何一個方面都受到水循環變化的影響。美國太空總署和德國航空航天中心之間的合作夥伴關係將在應對今天和明天的挑戰方面發揮至關重要的作用，」尼古拉·福克斯繼續說道。
GRACE-C – NASA 依賴德國太空專業知識
這兩顆衛星由空中巴士公司代表美國太空總署噴射推進實驗室（JPL）在腓特烈港建造。GRACE-C 任務的核心是精確測量繞地球運行的兩顆衛星之間的微小距離差異。在 GRACE-C 中，該距離是使用雷射干涉測量法確定的。此雷射測距干涉儀 (LRI) 系統的重要組成部分 - 所謂的光具座和後向反射器 - 來自位於博登湖畔伊門施塔德的 SpaceTech GmbH 公司。他們的工程師得到了漢諾威馬克斯·普朗克引力物理研究所（阿爾伯特愛因斯坦研究所；AEI）的支持。AEI 提供技術建議並支付 LRI 組件和測試設備的採購費用，而這些組件和測試設備又由 STI 委託。AEI 也監控 LRI 在運作階段的技術功能。
GRACE-C – 從太空對水團和大陸進行稱重
但是衛星如何使用這種特殊的雷射系統實際測量質量的位移呢？GRACE 原理背後的想法實際上非常簡單：一對衛星僅根據其重力來檢測質量。兩顆衛星分別在彼此後方飛行，平均距離僅約220公里。使用雷射不斷且精確地測量兩者的相對距離偏差和速度。精度可達 200 至 300 皮米，大致相當於原子的大小。
「岩石和水——無論是固體還是液體——以其質量影響衛星在太空中的軌跡。這個重量越強，前面飛行的衛星經過它時就越被它吸引。這導致它加速並遠離另一顆衛星。這個力越弱，衛星向前飛行的加速度就越小。於是他又靠近了後面的。這種相互距離的最小變化是在繞地球的每個軌道上連續測量的。「從比喻意義上講，透過 GRACE，我們可以權衡冰蓋和大陸逐月減少或增加的情況，」博士解釋道。Sebastian Fischer，德國太空中心 GRACE-C 專案經理。但稱重不僅發生在太空中。只有在地面上使用複雜的計算方法，才能將衛星在地球軌道上的最小運動轉化為重力場值並與其他數據結合。除此之外，這使得可以在 400 公里直徑範圍內以一公分的精度測量整個地球每 30 天的地下水位變化。位於波茨坦的地理研究中心（GFZ）在這裡發揮著重要作用：它將負責在德國方面建立所謂的科學數據系統（SDS）。在運行階段，GFZ負責GRACE-C的科學運作。
GRACE-C – DLR 控制下的德美任務
兩顆GRACE-C衛星搭載美國太空公司SpaceX的獵鷹9號火箭發射後，可能在2028年，將部署在500公里左右的高度。與地面站的第一次聯繫應該在一分鐘後發生。與 GRACE 和 GRACE-FO 一樣，兩顆 GRACE-C 衛星在發射後將由位於上普法芬霍芬的 DLR (GOSC) 的德國太空運作中心控制。
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(A) 恩典原則
GRACE 原理背後的想法實際上非常簡單：從比喻意義上講，透過 GRACE，我們可以衡量冰蓋和大陸逐月減少或增加的情況。為此，這兩顆衛星僅根據其重力來記錄質量。兩顆衛星分別在彼此後方飛行，平均距離僅約220公里。這個重量越強，前面飛行的衛星經過它時就越被它吸引。這導致它加速並遠離另一顆衛星。這個力越弱，衛星向前飛行的加速度就越小。於是他又靠近了後面的。使用雷射不斷且精確地測量兩者的相對距離和速度。精度可達 200 至 300 皮米，大致相當於原子的大小。
(B) GRACE 衛星與地球的藝術象圖
20年來，德美GRACE雙衛星記錄了地球重力場的變化，從而為更好地了解地球系統以及氣候變遷的具體影響提供了寶貴的數據。GRACE-C 預計將從 2028 年開始繼續這些數據系列。
(C) 格陵蘭島的冰流失
20 年來，NASA 和 DLR 的 GRACE 及其後續 GRACE-FO 任務一直在觀測地球重力場的變化。 丹麥北極研究機構傘式組織的科學家利用這些數據發現，格陵蘭冰蓋損失了約 4.7 兆噸冰，導致全球海平面上升約 1.2 公分。 冰的融化速度比預期快得多。 自2002年4月開始測量以來，格陵蘭冰蓋已經流失了4,700立方公里的融水。 這意味著美國整個地區可能會被半米深的水淹沒。 年平均損失量為 277 吉噸。 （相對於2002年水噹量，黑色-5公尺、深紅色-4公尺、紅色-3公尺、橘色-2公尺、黃色-1公尺）。 GRACE-C 衛星預計將從 2028 年開始繼續進行這些測量。
(D) 水的重量
GRACE 的觀測結果與其他類型的水文學資料如此不同，研究人員必須開發創新技術，然後才能使用新資料集並將其與其他觀測結果和模型結合。然而，在啟動後的一兩年內，GRACE 資料集提供了有關水循環如何變化的新見解，特別是在難以從地表監測的地方。如今，研究人員繼續開發新技術來處理和分析數據，以獲得其他感測器無法測量的資訊。這張地圖顯示了地球重力場與計算模型的偏差。紅色和黃色表示比模擬中較大的區域，深藍色表示比模擬中較小的區域。GRACE-C 衛星預計將從 2028 年開始繼續進行這些測量。