"Révolutionnaire" est un mot que vous entendez souvent lorsque les gens parlent de la mission GRACE. Depuis le lancement des satellites jumeaux de la NASA/German Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) le 17 mars, 2002, leurs données ont transformé la vision des scientifiques sur la façon dont l'eau se déplace et est stockée autour de la planète. « GRACE a permis de suivre le mouvement de l'eau via sa masse, un domaine qui n'était pas disponible en télédétection spatiale et qui a ouvert de nouvelles options pour surveiller et quantifier le changement climatique, " a déclaré Reinhard Hüttl, le président du conseil d'administration et directeur scientifique du Helmholtz Center Potsdam - GFZ German Research Center for Geosciences.

Comme beaucoup d'autres révolutions, GRACE a commencé avec une idée radicale. Le chercheur principal Byron Tapley (University of Texas Center for Space Research (UTCSR) à Austin) a déclaré :"L'idée complètement nouvelle de GRACE était la perception que mesurer et suivre la masse vous donne un moyen de sonder le système terrestre." La mesure des changements de masse a été la clé pour découvrir comment l'eau et la Terre solide changent dans des endroits que les humains ne peuvent pas aller et ne peuvent pas voir.

Le poids de l'eau

Plus la masse d'un objet est grande, plus son attraction gravitationnelle est grande. Par exemple, les Alpes exercent plus d'attraction gravitationnelle que la plaine plate de l'Allemagne du Nord. Les humains ne remarquent pas la petite différence, mais les satellites le font. En orbite autour de la Terre, les satellites accélèrent très légèrement à l'approche d'un élément massif et ralentissent à mesure qu'ils s'éloignent.

La grande majorité de l'attraction gravitationnelle de la Terre est due à la masse de l'intérieur de la Terre. Une petite partie, cependant, est due à l'eau sur ou près de la surface de la Terre. L'océan, rivières, les glaciers et les eaux souterraines changent beaucoup plus rapidement que l'intérieur de la Terre, répondre aux changements de saisons et aux tempêtes, sécheresses et autres effets météorologiques et climatiques. GRACE est né de la reconnaissance qu'une mission spécialement conçue pouvait réellement observer ces changements depuis l'espace et révéler les secrets cachés du cycle de l'eau.

GRACE mesure les changements de masse à travers leurs effets sur des satellites jumeaux en orbite l'un derrière l'autre à environ 220 kilomètres l'un de l'autre. Les engins spatiaux envoient constamment des impulsions micro-ondes les uns aux autres et chronométrent l'arrivée des signaux de retour, ce qui se traduit par la distance séparant les satellites jumeaux. Les changements d'attraction gravitationnelle modifient très légèrement cette distance - de quelques microns de largeur, C'est, une fraction du diamètre d'un cheveu humain. Le GPS garde une trace de la position du vaisseau spatial par rapport à la surface de la Terre, et les accéléromètres embarqués enregistrent les forces sur le vaisseau spatial autres que la gravité, comme la traînée atmosphérique et le rayonnement solaire. Les scientifiques traitent toutes ces données pour produire des cartes mensuelles des variations régionales de la gravité mondiale et des variations de masse de surface correspondantes.

"Quand la NASA a choisi ce complexe, mission de haute précision pour le lancement dans le cadre de son programme Earth System Science Pathfinder et je suis entré dans le projet GRACE à la fin du siècle dernier en tant que chef de projet allemand GRACE, J'ai pensé qu'il était peut-être un peu improbable que cela puisse jamais fonctionner et qu'il produise jamais une série chronologique aussi longue et incroyable de cartes mensuelles du transport de masse mondial, " se souvient Frank Flechtner (GFZ), aujourd'hui co-chercheur principal et successeur de l'original Co-PI et ancien directeur du département "Géodésie" de GFZ, Christoph Reigber.

Flechtner attribue le succès de la mission à une collaboration étroite et très fluide entre les États-Unis et l'Allemagne entre la NASA, UTCSR, le Centre aérospatial allemand (DLR), Airbus Defence and Space à Friedrichshafen et GFZ. "C'est comme si nous étions une seule famille des deux côtés de l'Atlantique".

Les satellites GRACE ont été construits en Allemagne chez Airbus D&S sous contrat du Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA, Pasadéna. Les opérations de la mission sont effectuées au centre d'opérations spatiales allemand (GSOC) du DLR à Oberpfaffenhofen et le DLR a acheté un "Rockot" russe comme véhicule de lancement. GFZ fait partie du système de données scientifiques GRACE avec des partenaires du JPL et de l'UTCSR et contribue aux opérations de la mission via sa propre station de réception satellite à Ny-Ålesund, Spitzberg, et fournir le directeur adjoint des opérations de la mission. Le financement des opérations de la mission d'aujourd'hui est assuré conjointement par GFZ, Programme de mission tierce du DLR et de l'ESA.

Qu'a vu GRACE ?

Au cours des 15 années d'activité de GRACE, des chercheurs d'institutions du monde entier ont développé des techniques innovantes pour utiliser l'ensemble de données et le combiner avec d'autres observations et modèles pour de nouvelles connaissances sur le système Terre. Voici quelques faits saillants.

Eau souterraine. L'eau stockée dans le sol et les aquifères sous la surface de la Terre est très peu mesurée dans le monde. L'hydrologue Matt Rodell du Goddard Space Flight Center de la NASA, Ceinture verte, Maryland, a fait ses recherches doctorales sur les utilisations hydrologiques de GRACE. Rodell a déclaré que personne n'avait deviné avant le lancement que GRACE révélerait un épuisement inconnu des eaux souterraines, mais au cours de la dernière décennie, Jay Famiglietti du JPL, Rodell et d'autres chercheurs ont découvert de plus en plus d'endroits où les humains pompent les eaux souterraines plus rapidement qu'elles ne se reconstituent. En 2015, Famiglietti et ses collègues ont publié une étude complète montrant qu'un tiers des plus grands bassins d'eaux souterraines de la Terre s'épuisent rapidement.

Les sols secs peuvent augmenter le risque de sécheresse ou augmenter la durée d'une sécheresse. Rodell et son équipe fournissent chaque semaine des données GRACE sur l'humidité des sols profonds et les eaux souterraines au U.S. Drought Monitor, utiliser un modèle hydrologique pour calculer l'évolution de l'humidité au cours du mois entre une carte et la suivante.

Les systèmes de prévision des crues ont besoin d'informations en temps quasi réel (NRT) pour estimer la génération et le développement probables de l'inondation en termes de débit fluvial et de niveau d'inondation avec des délais typiques de quelques jours pour les grands bassins fluviaux. Le service européen de gravité pour l'amélioration de la gestion des urgences (EGSIEM) financé par l'UE a développé de tels produits de gravité NRT quotidiens et les indicateurs d'inondation correspondants à utiliser au sein du centre d'information sur les crises par satellite du DLR dans le cadre d'un test opérationnel commençant le 1er avril.

Les calottes glaciaires et les glaciers. L'Antarctique est, les doigts dans le nez, le pire endroit au monde pour collecter des données, et le Groenland n'est pas loin derrière. Pourtant, nous devons savoir à quelle vitesse ces calottes glaciaires fondent pour comprendre le taux et les variations de l'élévation du niveau de la mer dans le monde. Les scientifiques étudiant la cryosphère ont été parmi les premiers à commencer à travailler avec les données GRACE pour extraire les informations dont ils avaient besoin. Les pertes de glace du Groenland et de l'Antarctique ont été considérablement plus importantes qu'on ne l'avait estimé auparavant à l'aide d'estimations de la hauteur changeante des calottes glaciaires et d'autres types de données. Depuis le lancement de GRACE, ses mesures montrent que le Groenland a perdu environ 280 gigatonnes de glace par an en moyenne, et l'Antarctique un peu moins de 120 gigatonnes par an. Les scientifiques du GFZ, Ingo Sasgen (maintenant à l'Institut Alfred-Wegener de Bremerhaven) et Henryk Dobslaw, ont en outre été en mesure de relier les variations interannuelles des chutes de neige et donc l'accumulation de masse dans la péninsule Antarctique, telles que surveillées par GRACE, à la force d'un système de basse pression atmosphérique. situé au-dessus de la mer d'Amundsen. Étant donné que ce système dépressionnaire lui-même est particulièrement fort pendant les conditions tropicales de La Nina, les données GRACE ont permis pour la première fois de quantifier l'efficacité d'un processus de téléconnexion atmosphérique qui relie le climat tropical même à des régions très reculées et assez isolées comme l'Antarctique. Il y a des indications que les deux vitesses de fusion augmentent.

Mais aussi pour les glaciers intérieurs, GRACE fournit des preuves à grande échelle de la perte rapide de masse de glace dans de nombreuses régions montagneuses du monde entier, mettant en péril l'approvisionnement en eau à long terme de leurs avant-pays. Pour l'Asie centrale, une équipe de recherche internationale dirigée par les chercheurs du GFZ Daniel Farinotti et Andreas Güntner a estimé à partir des données de GRACE qu'actuellement le Tien Shan perd de la glace à un rythme qui est environ le double de la consommation d'eau annuelle de toute l'Allemagne. En combinant cela avec la modélisation glaciologique, ils estiment que la moitié du volume total de glace des glaciers présent dans le Tien Shan aujourd'hui pourrait être perdue d'ici les années 2050. Voir ici pour le communiqué de presse en anglais.

Dynamique des océans. Le niveau de la mer augmente à mesure que la glace fond et que l'eau de mer se réchauffe et se dilate. Les scientifiques ont une idée très précise, mesure continue de la hauteur du niveau de la mer dans le monde entier à partir de 1992 avec la mission NASA-Français Topex-Poséidon et se poursuivant à travers la série de missions Jason. Les mesures altimétriques du niveau de la mer, cependant, voir seulement le plein effet des changements de hauteur de l'océan dus aux deux, la température de l'océan et l'ajout d'eau par la fonte des glaces et le ruissellement des terres. Pour avoir une vue approfondie des processus à l'origine de ces changements, les scientifiques doivent examiner les causes :l'océan se réchauffe-t-il principalement ou y a-t-il plus d'eau ajoutée aux océans ? Avec grâce, nous sommes capables de faire la distinction entre la redistribution des masses d'eau et les changements de température. Inga Bergmann de GFZ a démontré que GRACE est capable de surveiller les variations temporelles du transport de masse d'eau dans le courant circumpolaire antarctique jusqu'à des périodes même sous-mensuelles, fournissant ainsi une vue à grande échelle bien meilleure sur la dynamique du courant océanique le plus fort sur Terre que celle précédemment disponible à partir des données océanographiques in situ.

La Terre solide change. Le manteau visqueux sous la croûte terrestre se déplace également très légèrement en réponse aux changements de masse de l'eau près de la surface. GRACE a une communauté d'utilisateurs qui calculent ces décalages pour leur recherche. Les scientifiques du JPL Surendra Adhikari et Erik Ivins ont récemment utilisé les données GRACE pour calculer comment non seulement la perte de la calotte glaciaire, mais aussi l'épuisement des eaux souterraines, ont en fait modifié la rotation de la Terre alors que le système s'adapte à ces mouvements de masse.

Les planificateurs de GRACE n'avaient pas beaucoup d'espoir que la mesure de la mission puisse être utilisée pour identifier les changements brusques de masse associés aux tremblements de terre en raison de la différence d'échelle :les tremblements de terre sont soudains et locaux, alors que les cartes mensuelles de GRACE couvrent en moyenne une zone deux fois plus grande que la Bavière et un mois entier. Cependant, en concevant de nouvelles techniques de traitement et de modélisation des données, les chercheurs ont trouvé un moyen d'isoler les effets du tremblement de terre. « Nous sommes capables de mesurer le déplacement de masse instantané d'un tremblement de terre, et nous avons constaté qu'il y a une relaxation très mesurable qui dure un ou deux mois après le tremblement de terre, ", a déclaré Tapley. Ces mesures fournissent des informations sans précédent sur ce qui se passe bien sous la surface de la Terre.

Sondage atmosphérique. L'objectif scientifique secondaire de la mission GRACE est d'obtenir environ 150 profils verticaux très précis de température et d'humidité de l'atmosphère répartis à l'échelle mondiale par jour à l'aide de la technique d'occultation radio (RO) GPS. "Ces mesures sont d'un intérêt extrême pour les services météorologiques et les études liées au changement climatique. Par conséquent, nous fournissons ces profils 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, avec un maximum de deux heures après la mesure à bord des satellites aux principaux centres météorologiques mondiaux, par exemple., ECMWF (Centre Européen de Prévisions Météorologiques à Moyen Terme), MetOffice, MétéoFrance, NCEP (National Centers for Environmental Prediction) ou DWD (Deutscher Wetterdienst) pour améliorer leurs prévisions mondiales", a déclaré Jens Wickert, Responsable RO de GFZ.

L'avenir

A 15 ans, GRACE a duré trois fois plus longtemps que prévu initialement. Les chefs de projet ont tout fait pour prolonger sa durée de vie, mais le vaisseau spatial manquera bientôt de carburant, probablement cet été. La NASA et le GFZ travaillent depuis 2012 sur une deuxième mission GRACE appelée GRACE Follow-On, l'Allemagne se procurant à nouveau le lanceur, les opérations de la mission et les satellites jumeaux reconstitués chez Airbus D&S en Allemagne.

Le lancement de GRACE-FO est prévu entre décembre 2017 et février 2018. La nouvelle mission se concentre sur la poursuite de l'enregistrement réussi des données de GRACE. Les nouveaux satellites utilisent un matériel similaire à GRACE et transporteront également un démonstrateur technologique qui utilise un nouvel interféromètre de télémétrie laser (LRI) pour suivre la distance de séparation entre les satellites. Le LRI est un développement conjoint américano-allemand et a le potentiel de produire une mesure intersatellite encore plus précise et la carte de gravité qui en résulte.

Avec GRACE-FO pour continuer l'héritage révolutionnaire, il y aura certainement des découvertes plus innovantes à venir. Plus important encore, bien que, les scientifiques peuvent continuer à surveiller les changements dans notre précieuse ressource mondiale en eau.