Le 17 mars, 2002, le germano-américain Le duo de satellites GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) a été lancé pour cartographier le champ gravitationnel mondial avec une précision sans précédent. La mission a duré 15 ans, plus de trois fois plus longtemps que prévu. Lorsque les deux satellites ont brûlé dans l'atmosphère terrestre fin 2017 et début 2018, ils avaient enregistré le champ gravitationnel de la Terre et ses changements sur plus de 160 mois.

Cette gravimétrie satellitaire dite résolue en temps permet, entre autres, surveiller le cycle de l'eau terrestre, le bilan massique des calottes glaciaires et des glaciers, et changement du niveau de la mer, et ainsi mieux comprendre les mécanismes du système climatique mondial, évaluer avec précision les tendances climatiques importantes, et de prévoir les conséquences possibles.

Une critique dans la revue Nature Changement Climatique présente maintenant les faits saillants dans le domaine de la recherche climatique sur la base des observations de GRACE.

Les calottes glaciaires et les glaciers

GRACE a produit la toute première mesure directe de la perte de masse de glace des calottes glaciaires et des glaciers. Précédemment, il n'avait été possible d'estimer les masses et leurs variations qu'à l'aide de méthodes indirectes. Au cours des deux premières années de la mission, il était déjà possible d'observer des signaux clairs de perte de masse de glace au Groenland et en Antarctique. Les données mesurées ont montré que 60 pour cent de la perte de masse totale est due à l'augmentation de la production de fonte en réponse aux tendances au réchauffement de l'Arctique, tandis que 40 pour cent sont dus à une augmentation du débit de glace dans l'océan. Selon les données de GRACE, entre avril 2002 et juin 2017, Le Groenland a perdu environ 260 milliards de tonnes de glace par an, Antarctique environ 140 milliards de tonnes. En plus des tendances à long terme, les données du champ de gravité fournissent également des preuves des effets directs des phénomènes climatiques mondiaux tels qu'El Niño sur les calottes glaciaires et les glaciers du monde entier.

Stockage d'eau terrestre

Parmi les contributions les plus marquantes de la mission GRACE a été le dévoilement du paysage changeant d'eau douce de la Terre, qui a de profondes implications pour l'eau, sécurité alimentaire et humaine. Les estimations mondiales des tendances de GRACE suggèrent une augmentation du stockage d'eau dans les hautes et basses latitudes, avec un stockage réduit aux latitudes moyennes. Bien que le record de GRACE soit relativement court, cette observation de changements à grande échelle dans le cycle hydrologique mondial a été une importante confirmation précoce des changements prédits par les modèles climatiques au cours du 21e siècle.

L'analyse des données GRACE a également aidé les chercheurs à évaluer plus précisément le niveau de la mer, car le stockage d'eau douce à terre est lié au niveau de la mer par divers mécanismes. Les analyses des données GRACE ont permis les toutes premières estimations des changements de stockage des eaux souterraines depuis l'espace. Ils confirment des taux excessifs d'épuisement des eaux souterraines des aquifères individuels du monde entier. Les données sur le stockage de l'eau terrestre ont également contribué à la validation et à l'étalonnage de divers modèles climatiques.

Changement du niveau de la mer et dynamique des océans

Au sein de ce siècle, l'élévation du niveau de la mer pourrait s'accélérer jusqu'à 10 millimètres par an, un taux sans précédent au cours des 5000 dernières années, et une conséquence profonde et directe du réchauffement climatique. Des mesures de haute précision du niveau de la mer sont disponibles depuis le début des années 1990, mais ils ne montrent que le changement absolu du niveau de la mer. Au cours des 25 années entre 1993 et ​​2017, le niveau de la mer s'élève en moyenne de 3,1 millimètres par an.

Pour savoir comment la dilatation thermique, la fonte des glaces et l'afflux continental d'eau affectent chacun le niveau de la mer, il est nécessaire d'étudier la répartition massique de l'eau. GRACE a montré que 2,5 millimètres de l'élévation annuelle moyenne du niveau de la mer de 3,8 millimètres entre 2005 et 2017 sont causés par l'afflux d'eau ou d'une autre masse et 1,1 millimètres par la dilatation thermique de l'eau. La résolution de cette composition est importante pour les projections du niveau de la mer.

Les données GRACE fournissent une contrainte sur le changement de masse océanique, et donc indirectement sur le déséquilibre énergétique de la Terre, qui est une mesure globale fondamentale du changement climatique. GRACE a montré que l'essentiel du réchauffement provoqué par l'augmentation de la température se produit dans les 2000 mètres supérieurs des océans, qui sont les puits d'énergie les plus importants du changement climatique. GRACE contribue également à une meilleure compréhension de la dynamique et de l'impact des courants océaniques, en particulier pour l'océan Arctique.

Applications de services climatologiques

Les données du champ de gravité des satellites GRACE ont amélioré le moniteur de sécheresse des États-Unis. Cela aide les autorités américaines à réagir aux sécheresses de manière opportune et raisonnable. Avec le Service Européen de Gravité pour une Gestion Améliorée des Urgences (EGSIEM), l'Union européenne a promu un service destiné à identifier au plus tôt les risques régionaux d'inondation. Entre avril et juin 2017, des tests avec des données historiques sur les crues ont eu lieu, montrant que les indicateurs d'humidité pour les grands bassins fluviaux déterminés par GRACE peuvent améliorer les prévisions du Mississippi ou du Danube, par exemple. Les résultats actuels montrent également que les données GRACE peuvent être utilisées pour prédire avec plus de précision le risque d'incendies de forêt saisonniers.

Le GFZ a opéré la mission GRACE avec le Centre aérospatial allemand (DLR), et du côté américain avec le NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL). En mai 2018, les parties prenantes ont lancé la mission de suivi, Suite GRACE (GRACE-FO). Les premières cartes mensuelles du champ de gravité devraient être disponibles pour les utilisateurs internationaux d'ici la fin juillet de cette année. Des difficultés inattendues ont retardé la soumission des produits. "La raison était la panne d'une unité de contrôle sur le deuxième satellite GRACE-FO, " explique Frank Flechtner de GFZ. " Cela a rendu nécessaire le passage à l'unité de remplacement installée pour de tels scénarios. Mais maintenant, avec GRACE-FO, un enregistrement de plus de deux décennies des changements de masse dans le système Terre est à portée de main."

Contexte :Le poids de l'eau

Plus la masse d'un objet est grande, plus son attraction gravitationnelle est grande. Par exemple, les Alpes exercent une attraction gravitationnelle plus élevée que les basses terres de l'Allemagne du Nord. Lorsque les satellites orbitent autour de la Terre et survolent une vaste région, ils accélèrent un peu à l'approche et ralentissent au fur et à mesure qu'ils s'envolent.

Une infime partie de la gravitation émanant de la Terre est basée sur l'eau sur ou près de la surface des océans, rivières, des lacs, glaciers et sous-sol. Cette eau réagit aux saisons, tempêtes, sécheresses ou autres effets météorologiques. GRACE a profité du déplacement de masse de l'eau en enregistrant son effet sur le duo de satellites qui a orbité la Terre sur 220 kilomètres d'affilée. Des micro-ondes ont été utilisées pour mesurer leur distance. Cette distance a changé au fil du temps en raison du changement de masse sur Terre. A partir des données, les chercheurs ont ensuite calculé des cartes mensuelles des changements régionaux de l'attraction gravitationnelle de la Terre et des changements causaux dans les masses à la surface.