GRACIA y GRACIA-FO

El Experimento de Recuperación de Gravedad y Clima ( GRACE ) fue una misión conjunta de la NASA y el Centro Aeroespacial Alemán (DLR). Los satélites gemelos tomaron medidas detalladas de las anomalías del campo de gravedad de la Tierra desde su lanzamiento en marzo de 2002 hasta el final de su misión científica en octubre de 2017. El Experimento de recuperación de gravedad y clima de seguimiento ( GRACE-FO ) es una continuación de la misión en hardware idéntico, lanzado en mayo de 2018.

GRACIA
Modelo de nave espacial GRACE 2.png
Ilustración de los satélites gemelos GRACE
NombresGRACE-1 y GRACE-2 [1] [2]
Tom y Jerry [1] [2]
ESSP-2A y ESSP-2B [3]
Tipo de misiónCiencia gravitacional
OperadorNASA  · DLR
ID COSPAR2002-012A y 2002-012B
SATCAT no.27391 y 27392
Sitio webwww .csr .utexas .edu / grace
Duración de la misiónPlanificado: 5 años
Final: 15 años, 7 meses, 9 días
Propiedades de la nave espacial
AutobúsFlexbus [3]
FabricanteAstrium
Masa de lanzamiento487 kg (1074 libras) cada uno [4]
Dimensiones1,942 × 3,123 × 0,72 m (6,4 × 10,2 × 2,4 pies) [4]
Inicio de la misión
Fecha de lanzamiento17 de marzo de 2002, 09:21  UTC [5] ( 2002-03-17UTC09: 21 )
CoheteRokot-KM # 2 [3]
Sitio de lanzamientoPlesetsk LC-133/3 [3]
ContratistaEurockot
Fin de la misión
Declarado27 de octubre de 2017 [6] ( 28 de octubre de 2017 )
Fecha de decaimientoGRACE-1: 10 de marzo de 2018,
     06:09 UTC [7] 45.9 ° S 20.4 ° E GRACE-2: 24 de diciembre de 2017,      00:16 UTC [8] 63.9 ° N 160.9 ° W
     45 ° 54′S 20 ° 24′E /  / -45,9; 20,4


      63 ° 54'N 160 ° 54'W /  / 63,9; -160,9
Parámetros orbitales
Sistema de referenciaGeocéntrico
Semieje mayor6.873,5 km (4.271,0 millas)
Excentricidad0,00182
Altitud del perigeo483 km (300 millas)
Altitud de apogeo508 km (316 millas)
Inclinación89,0 °
Período94.5 minutos
Época17 de marzo de 2002, 04:21  UTC [5]
 

Al medir las anomalías de la gravedad , GRACE mostró cómo se distribuye la masa alrededor del planeta y cómo varía con el tiempo. Los datos de los satélites GRACE son una herramienta importante para estudiar los océanos , la geología y el clima de la Tierra . GRACE fue un esfuerzo de colaboración que involucró al Centro de Investigación Espacial de la Universidad de Texas en Austin , el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA , el Centro Aeroespacial Alemán y el Centro Nacional de Investigación de Geociencias de Alemania, Potsdam. [9] El Laboratorio de Propulsión a Chorro fue responsable de la gestión general de la misión bajo el programa ESSP (Earth System Science Pathfinder) de la NASA.

El investigador principal es Byron Tapley del Centro de Investigación Espacial de la Universidad de Texas , y el co-investigador principal es Christoph Reigber del GeoForschungsZentrum (GFZ) Potsdam . [10]

Los dos satélites GRACE ( GRACE-1 y GRACE-2 ) se lanzaron desde el cosmódromo de Plesetsk , Rusia, en un vehículo de lanzamiento Rockot (SS-19 + etapa superior Breeze) el 17 de marzo de 2002. La nave espacial se lanzó a una altitud inicial de aproximadamente 500 km con una inclinación casi polar de 89 °. Durante las operaciones normales, los satélites estaban separados 220 km a lo largo de su trayectoria orbital. Este sistema pudo reunir cobertura global cada 30 días. [11] GRACE superó con creces su vida útil de diseño de 5 años, operando durante 15 años hasta el desmantelamiento de GRACE-2 el 27 de octubre de 2017. [6] Su sucesor, GRACE-FO , se lanzó con éxito el 22 de mayo de 2018.

En 2019, un glaciar en la Antártida Occidental recibió el nombre de la misión GRACE. [12] [13]

Variaciones en la presión del fondo del océano medidas por GRACE

Los mapas mensuales de anomalías de la gravedad generados por GRACE son hasta 1.000 veces más precisos que los mapas anteriores, lo que mejora sustancialmente la precisión de muchas técnicas utilizadas por oceanógrafos , hidrólogos , glaciólogos , geólogos y otros científicos para estudiar los fenómenos que influyen en el clima. [14]

Desde el adelgazamiento de las capas de hielo hasta el flujo de agua a través de los acuíferos y las lentas corrientes de magma dentro de la Tierra, las mediciones de masa proporcionadas por GRACE ayudan a los científicos a comprender mejor estos importantes procesos naturales.

Oceanografía, hidrología y capas de hielo

GRACE detectó principalmente cambios en la distribución del agua en todo el planeta. Los científicos usan los datos de GRACE para estimar la presión del fondo del océano (el peso combinado de las aguas del océano y la atmósfera), que es tan importante para los oceanógrafos como la presión atmosférica para los meteorólogos. [15] Por ejemplo, medir los gradientes de presión oceánica permite a los científicos estimar los cambios mensuales en las corrientes oceánicas profundas. [16] La resolución limitada de GRACE es aceptable en esta investigación porque las grandes corrientes oceánicas también pueden estimarse y verificarse mediante una red de boyas oceánicas. [15] Los científicos también han detallado métodos mejorados para usar los datos de GRACE para describir el campo de gravedad de la Tierra. [17] Los datos de GRACE son fundamentales para ayudar a determinar la causa del aumento del nivel del mar , ya sea como resultado de la adición de masa al océano (por el deshielo de los glaciares , por ejemplo) o de la expansión térmica del agua caliente o cambios en la salinidad . [18] Los campos de gravedad estática de alta resolución estimados a partir de los datos de GRACE han ayudado a mejorar la comprensión de la circulación oceánica global . Las colinas y valles en la superficie del océano ( topografía de la superficie del océano ) se deben a las corrientes y variaciones en el campo de gravedad de la Tierra. GRACE permite la separación de esos dos efectos para medir mejor las corrientes oceánicas y su efecto sobre el clima. [19]

Los datos de GRACE han proporcionado un registro de la pérdida de masa dentro de las capas de hielo de Groenlandia y la Antártida. Groenlandia pierde280 ± 58  Gt de hielo por año entre 2003 y 2013, mientras que la Antártida ha perdido67 ± 44  Gt por año en el mismo período. [20] Estos equivalen a un total de 0,9 mm / año de aumento del nivel del mar. Los datos de GRACE también han proporcionado información sobre la hidrología regional inaccesible para otras formas de teledetección: por ejemplo, el agotamiento de las aguas subterráneas en la India [21] y California. [22] La hidrología anual de la cuenca del Amazonas proporciona una señal especialmente fuerte cuando se ve por GRACE. [23]

Un estudio dirigido por la Universidad de California, Irvine, publicado en Water Resources Research el 16 de junio de 2015, utilizó datos de GRACE entre 2003 y 2013 para concluir que 21 de los 37 acuíferos más grandes del mundo "han superado los puntos de inflexión de sostenibilidad y se están agotando" y trece de ellos son "considerados significativamente angustiados". El más estresado es el sistema acuífero árabe , del que dependen más de 60 millones de personas para obtener agua. [24]

Geofísica

"> Reproducir medios
GRACE utiliza mediciones precisas de los movimientos de dos naves espaciales en la órbita de la Tierra para rastrear el movimiento del agua a través de los océanos, la tierra y la atmósfera.
Cambio en la masa de las capas de hielo de Groenlandia y la Antártida según lo medido por GRACE

GRACE también detecta cambios en el campo de gravedad debido a procesos geofísicos. El ajuste isostático glacial —el lento ascenso de las masas de tierra una vez deprimidas por el peso de las capas de hielo de la última glaciación— es la principal de estas señales. Las señales GIA aparecen como tendencias seculares en las mediciones del campo de gravedad y deben eliminarse para estimar con precisión los cambios en la masa de agua y hielo en una región. [25] GRACE también es sensible a los cambios permanentes en el campo de gravedad debido a los terremotos. Por ejemplo, los datos de GRACE se han utilizado para analizar los cambios en la corteza terrestre causados ​​por el terremoto que creó el tsunami del Océano Índico de 2004. [26]

En 2006, un equipo de investigadores dirigido por Ralph von Frese y Laramie Potts utilizó datos de GRACE para descubrir el cráter Wilkes Land de 480 kilómetros de ancho en la Antártida , que probablemente se formó hace unos 250 millones de años. [27]

Geodesia

Los datos de GRACE han mejorado el modelo actual del campo gravitacional de la Tierra, lo que ha llevado a mejoras en el campo de la geodesia. Este modelo mejorado ha permitido correcciones en la superficie equipotencial desde la que se referencian las elevaciones del terreno. Esta superficie de referencia más precisa permite coordenadas de latitud y longitud más precisas y menos errores en el cálculo de las órbitas de los satélites geodésicos. [28]

Otras señales

GRACE es sensible a las variaciones regionales en la masa de la atmósfera y a las variaciones de alta frecuencia en la presión del fondo del océano. Estas variaciones se comprenden bien y se eliminan de las estimaciones de gravedad mensuales utilizando modelos de pronóstico para evitar el alias . [29] No obstante, los errores en estos modelos influyen en las soluciones de GRACE. [30]

Los datos de GRACE también contribuyen a la física fundamental. Se han utilizado para volver a analizar los datos obtenidos del experimento LAGEOS para intentar medir el efecto relativista de arrastre del marco . [31] [32]

Diagramas que ilustran los sistemas e instrumentos a bordo de la nave espacial GRACE
Animaciones de anomalías de gravedad global sobre tierra y océanos por GRACE

Las naves espaciales fueron fabricadas por Astrium de Alemania , utilizando su plataforma "Flexbus" . Los sistemas de RF de microondas y los algoritmos del sistema de control y determinación de actitud fueron proporcionados por Space Systems / Loral . Las cámaras estelares utilizadas para medir la actitud de la nave espacial fueron proporcionadas por la Universidad Técnica de Dinamarca . La computadora de instrumentos junto con un receptor GPS BlackJack de alta precisión y un sistema de procesamiento de señales digitales fue proporcionado por JPL en Pasadena. ONERA fabricó el acelerómetro de alta precisión que se necesita para separar los efectos de la presión de la radiación solar y atmosférica de los datos de gravitación .

Principio de medición

La medida clave de GRACE, la gravimetría satelital , no se deriva de ondas electromagnéticas. En cambio, la misión utiliza un sistema de rango de microondas para medir con precisión los cambios en la velocidad y la distancia entre dos naves espaciales idénticas que vuelan en una órbita polar a unos 220 kilómetros (140 millas) de distancia, a 500 kilómetros (310 millas) sobre la Tierra. El sistema de medición es lo suficientemente sensible como para detectar cambios de separación tan pequeños como 10 micrómetros (aproximadamente una décima parte del ancho de un cabello humano) en una distancia de 220 kilómetros. [4] A medida que los satélites gemelos GRACE giran alrededor del globo 15 veces al día, detectan variaciones mínimas en la atracción gravitacional de la Tierra. Cuando el primer satélite pasa sobre una región de gravedad ligeramente más fuerte, una anomalía gravitatoria , es empujado ligeramente por delante del satélite que se arrastra. Esto hace que aumente la distancia entre los satélites. Luego, la primera nave espacial pasa la anomalía y vuelve a reducir la velocidad; mientras tanto, la siguiente nave espacial acelera y luego desacelera sobre el mismo punto. Midiendo la distancia en constante cambio entre los dos satélites y combinando esos datos con medidas de posicionamiento precisas de los instrumentos del Sistema de Posicionamiento Global (GPS), los científicos pueden construir un mapa detallado de las anomalías gravitatorias de la Tierra.

Instrumentos

Los dos satélites (apodados "Tom" y "Jerry" ) mantienen constantemente un enlace bidireccional de rango de microondas de banda K entre ellos. Las mediciones de distancia precisas se realizan comparando los cambios de frecuencia del enlace. Esto es posible gracias al oscilador ultra estable integrado (USO) que produce las frecuencias para el sistema de rango de banda K. [33] La sensibilidad micrométrica de esta medición requiere, en consecuencia, mediciones precisas de la posición, el movimiento y la orientación de cada nave espacial para ser útil. Para eliminar el efecto de las fuerzas externas no gravitacionales (por ejemplo, arrastre , presión de la radiación solar ), los vehículos utilizan acelerómetros electrostáticos sensibles Super STAR ubicados cerca de sus respectivos centros de masa. Los receptores GPS se utilizan para establecer las posiciones precisas de cada satélite a lo largo de la línea de base entre los satélites. Los satélites utilizan cámaras estelares y magnetómetros para establecer la actitud . Los vehículos GRACE también tienen reflectores ópticos en las esquinas para permitir el alcance del láser desde las estaciones terrestres utilizando el conjunto de ajuste del centro de masa (MTA) que garantiza que el centro de masa se modifique a lo largo del vuelo en consecuencia. [33]

Productos de datos

CSR, GFZ y JPL procesan observaciones y datos auxiliares descargados de GRACE para producir modelos geopotenciales mensuales de la Tierra. [34] Estos modelos se distribuyen como coeficientes armónicos esféricos con un grado máximo de 60. También se encuentran disponibles productos de grado 90. Estos productos tienen una latencia típica de 1 a 2 meses. Estos coeficientes geopotenciales pueden usarse para calcular la altura del geoide , anomalías de la gravedad y cambios en la distribución de masa en la superficie de la Tierra. [35] Los productos cuadriculados que estiman los cambios de masa en unidades de espesor equivalente de agua líquida están disponibles en el sitio web GRACE Tellus de JPL.

Tras un problema de batería relacionado con la edad en GRACE-2 en septiembre de 2017, se hizo evidente que la capacidad restante de la batería de GRACE-2 no sería suficiente para funcionar. Por lo tanto, a mediados de octubre se decidió desmantelar el satélite GRACE-2 y poner fin a la misión científica de GRACE. [6] La reentrada atmosférica de GRACE-2 ocurrió el 24 de diciembre de 2017 aproximadamente a las 00:16 UTC; [8] La reentrada atmosférica de GRACE-1 tuvo lugar el 10 de marzo de 2018 alrededor de las 06:09 UTC. [7]

GRACIA-FO
Ilustración de los satélites gemelos GRACE-FO
Nombres
    • GRACIA-FO 1 [36]
    • GRACE-FO 2 [37]
Tipo de misiónCiencia gravitacional
OperadorNASA  · DLR [38]
ID COSPAR2018-047A y 2018-047B
SATCAT no.43476 y 43477
Sitio webnasa .gov / misiones / grace-fo /
Duración de la misiónPlaneado: 5 años
Transcurrido: 3 años
Propiedades de la nave espacial
AutobúsFlexbus [39]
FabricanteAirbus Defence and Space (anteriormente Astrium ) [40]
Masa de lanzamiento600 kg (1300 libras) cada uno [41]
Dimensiones1,943 × 3,123 × 0,78 m (6,4 × 10,2 × 2,6 pies) [41]
Inicio de la misión
Fecha de lanzamiento22 de mayo de 2018, 19:47:58 ( 2018-05-22UTC19: 47: 58 ) UTC
CoheteHalcón 9
Sitio de lanzamientoBase de la Fuerza Aérea Vandenberg , California
ContratistaSpaceX
Parámetros orbitales
Sistema de referenciaGeocéntrico
Semieje mayor6.872,2 km (4.270,2 millas)
Excentricidad0,00179
Altitud del perigeo481,7 km (299,3 mi)
Altitud de apogeo506,3 km (314,6 millas)
Inclinación89,0 °
Período94.5 minutos
Época29 de septiembre de 2019, 15:36:45  UTC [42]
 

La misión GRACE-FO, una colaboración entre la NASA y GFZ , se lanzó el 22 de mayo de 2018 a bordo de un cohete SpaceX Falcon 9 desde Vandenberg AFB, California, compartiendo el lanzamiento con cinco satélites Iridium NEXT . [43] [44] Durante las verificaciones en órbita, se descubrió una anomalía en el componente principal del sistema del instrumento de microondas (MWI), y el sistema se apagó temporalmente el 19 de julio de 2018. [45] Después de una investigación completa por parte de un equipo de respuesta a anomalías en JPL, el sistema de respaldo en el MWI se encendió el 19 de octubre de 2018 y GRACE-FO reanudó sus verificaciones en órbita. [45] [46] GRACE-FO entró en la fase científica de su misión el 28 de enero de 2019. [47]

La órbita y el diseño de GRACE-FO son muy similares a los de su predecesor. [48] GRACE-FO emplea el mismo enlace bidireccional de alcance de microondas que GRACE, lo que permitirá una precisión de alcance entre satélites similar. Además, GRACE-FO emplea interferometría de alcance láser (LRI) como un experimento tecnológico en preparación para futuros satélites. [49] [50] [51] El LRI permite un rango entre satélites más preciso debido a la longitud de onda más corta de la luz y, además, permite medir el ángulo entre las dos naves espaciales, así como su separación mediante detección de frente de onda diferencial (DWS ). [52] [53] [54] Utilizando el LRI, los científicos han mejorado la precisión de las mediciones de la distancia de separación en un factor de más de 20 en relación con la misión GRACE. [48] [55] Cada láser del LRI tiene aproximadamente la misma potencia que cuatro punteros láser. [56] Estos láseres deben ser detectados por una nave espacial a unos 220 km de distancia. [56] Este enfoque láser generará mediciones mucho más precisas que la anterior misión del satélite GRACE. [57]

Los satélites GRACE-FO obtienen electricidad de paneles de matriz de células solares de arseniuro de galio que cubren el exterior de cada satélite. [58]

GRACE-FO continuará monitoreando la gravedad y el clima de la Tierra. La misión rastreará los cambios gravitacionales en los niveles globales del mar, los glaciares y las capas de hielo, así como los grandes niveles de agua de los lagos y ríos y la humedad del suelo. [52] Además, cada uno de los satélites utilizará antenas GPS para crear al menos 200 perfiles por día de distribución de temperatura atmosférica y contenido de vapor de agua, una novedad para la misión GRACE. [48]

GRACE-FO tiene una vida útil de diseño de 5 años. [48] [59]

  • Laboratorio Interior y de Recuperación de Gravedad (GRAIL), un par de sondas de la NASA similar que mapeó la Luna
  • Explorador de circulación oceánica en estado estable y campo de gravedad (GOCE), una misión de cartografía gravitacional de la ESA que utilizó un solo satélite

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  • Sitio web GRACE de la Universidad de Texas
  • Sitio web GRACE Tellus por el Laboratorio de Propulsión a Chorro
  • Portal GRACE de análisis de datos en tiempo real de la Universidad de Colorado
  • Sistema de información y centro de datos GRACE por el Centro Alemán de Investigación de Geociencias de GFZ
  • Dunn, Charles; et al. (Febrero de 2003). "Instrumento de gracia: GPS aumenta las medidas de gravedad" . Mundo GPS . 14 (2): 16-28. Archivado desde el original el 25 de febrero de 2012.
  • Durante 15 años, GRACE rastreó los movimientos de agua dulce en todo el mundo en YouTube, publicado el 16 de mayo de 2018 por NASA Goddard