غريس وغريس-فو

رصدت مركبة GRACE بشكل رئيسي تغيرات في توزيع المياه على سطح الأرض. ويستخدم العلماء بيانات GRACE لتقدير ضغط قاع المحيط (الوزن الكلي لمياه المحيط والغلاف الجوي)، وهو أمر بالغ الأهمية لعلماء المحيطات، تمامًا كما هو الحال بالنسبة لضغط الغلاف الجوي لعلماء الأرصاد الجوية. ^{[ 16 ]} فعلى سبيل المثال، يسمح قياس تدرجات ضغط المحيط للعلماء بتقدير التغيرات الشهرية في تيارات المحيطات العميقة. ^{[ 17 ]} وتُعد الدقة المحدودة لبيانات GRACE مقبولة في هذا البحث، لأنه يمكن أيضًا تقدير تيارات المحيطات الكبيرة والتحقق منها بواسطة شبكة عوامات المحيط. ^{[ 16 ]} كما فصّل العلماء طرقًا محسّنة لاستخدام بيانات GRACE لوصف مجال جاذبية الأرض. ^{[ 18 ]} وتساعد بيانات GRACE في تحديد سبب ارتفاع مستوى سطح البحر ، سواء كان ذلك نتيجة إضافة كتلة إلى المحيط - من ذوبان الأنهار الجليدية ، على سبيل المثال - أو من التمدد الحراري للمياه الدافئة أو التغيرات في الملوحة . ^{[ 19 ]} ساهمت تقديرات حقول الجاذبية الثابتة عالية الدقة، المستمدة من بيانات GRACE، في تحسين فهم دوران المحيطات العالمي . وتعود التلال والوديان على سطح المحيط ( تضاريس سطح المحيط ) إلى التيارات والتغيرات في مجال جاذبية الأرض. ويتيح GRACE فصل هذين التأثيرين لقياس تيارات المحيطات وتأثيرها على المناخ بشكل أفضل. ^{[ 20 ]}

قدمت بيانات GRACE سجلاً لفقدان الكتلة داخل الصفائح الجليدية في جرينلاند والقارة القطبية الجنوبية. وقد تبين أن جرينلاند تفقد280 ± 58 جيجا طن  من الجليد سنويًا بين عامي 2003 و2013، بينما فقدت القارة القطبية الجنوبية67 ± 44 جيجا طن  سنويًا خلال الفترة نفسها. ^{[ 21 ]} وهذا يعادل  ارتفاعًا إجماليًا في مستوى سطح البحر بمقدار 0.9 ملم/سنة. وقد لوحظت زيادات مماثلة في المحتوى الحراري للمحيطات نتيجةً لاختلال توازن طاقة الأرض ، بلغت حوالي 0.8  واط/م² ^، خلال الفترة من 2002 إلى 2019. ^{[ 22 ] [ 23 ]}

قدمت بيانات GRACE أيضًا رؤى ثاقبة حول الهيدرولوجيا الإقليمية التي لا يمكن الوصول إليها باستخدام أشكال أخرى من الاستشعار عن بُعد: على سبيل المثال، استنزاف المياه الجوفية في الهند ^{[ 24 ]} وكاليفورنيا. ^{[ 25 ]} تُقدم الهيدرولوجيا السنوية لحوض الأمازون إشارة قوية عند تحليلها بواسطة GRACE. ^{[ 26 ]} استخدمت دراسة بقيادة جامعة كاليفورنيا، إرفاين، نُشرت في مجلة أبحاث موارد المياه في 16 يونيو 2015، بيانات GRACE للفترة بين عامي 2003 و2013، وخلصت إلى أن 21 من أكبر 37 طبقة مياه جوفية في العالم "تجاوزت نقاط التحول الحرجة للاستدامة وتتعرض للاستنزاف"، وأن 13 منها "تُعتبر مُتضررة بشدة". وتُعد طبقة المياه الجوفية العربية الأكثر تضررًا ، والتي يعتمد عليها أكثر من 60 مليون شخص في الحصول على المياه. ^{[ 27 ]}

تغير كتلة الجليد في القطب الجنوبي كما تم قياسه بواسطة GRACE ^{[ 28 ]}

تغير كتلة الجليد في جرينلاند كما تم قياسه بواسطة GRACE ^{[ 29 ]}

يرصد جهاز GRACE أيضًا التغيرات في مجال الجاذبية الناتجة عن العمليات الجيوفيزيائية. ومن بين هذه الإشارات، التعديل المتساوي الجليدي - وهو الارتفاع البطيء للكتل الأرضية التي كانت منخفضة بفعل وزن الصفائح الجليدية خلال العصر الجليدي الأخير. تظهر إشارات التعديل المتساوي الجليدي كاتجاهات طويلة الأمد في قياسات مجال الجاذبية، ويجب إزالتها لتقدير التغيرات في كتلة المياه والجليد في منطقة ما بدقة. ^{[ 30 ]} كما أن جهاز GRACE حساس للتغيرات الدائمة في مجال الجاذبية الناتجة عن الزلازل. فعلى سبيل المثال، استُخدمت بيانات GRACE لتحليل التحولات في قشرة الأرض التي سببها الزلزال الذي أدى إلى حدوث تسونامي المحيط الهندي عام 2004. ^{[ 31 ]}

في عام 2006، استخدم فريق من الباحثين بقيادة رالف فون فريز ولارامي بوتس بيانات GRACE لاكتشاف فوهة ويلكس لاند التي يبلغ عرضها 480 كيلومترًا (300 ميل) في القارة القطبية الجنوبية ، والتي ربما تكونت منذ حوالي 250 مليون سنة. ^{[ 32 ]} 

ساهمت بيانات GRACE في تحسين نموذج مجال جاذبية الأرض الحالي ، مما أدى إلى تحسينات في مجال الجيوديسيا . وقد سمح هذا النموذج المُحسَّن بإجراء تصحيحات على سطح تساوي الجهد الذي تُستند إليه ارتفاعات سطح الأرض. ويُتيح هذا السطح المرجعي الأكثر دقة إحداثيات أكثر دقة لخطوط العرض والطول، وتقليل الخطأ في حساب مدارات الأقمار الصناعية الجيوديسية. ^{[ 33 ]}

تتأثر بيانات GRACE بالتغيرات الإقليمية في كتلة الغلاف الجوي والتغيرات عالية التردد في ضغط قاع المحيط. هذه التغيرات مفهومة جيدًا، ويتم استبعادها من تقديرات الجاذبية الشهرية باستخدام نماذج التنبؤ لتجنب التداخل . ^{[ 34 ]} ومع ذلك، تؤثر الأخطاء في هذه النماذج على نتائج GRACE. ^{[ 35 ]}

تساهم بيانات GRACE أيضًا في الفيزياء الأساسية. وقد استُخدمت لإعادة تحليل البيانات المُستقاة من تجربة LAGEOS في محاولة لقياس تأثير سحب الإطار النسبي . ^{[ 36 ] [ 37 ]}

لا يعتمد القياس الرئيسي لمهمة غريس، وهو قياس الجاذبية عبر الأقمار الصناعية ، على الموجات الكهرومغناطيسية. بل تستخدم المهمة نظام قياس المسافة بالموجات الميكروية لقياس التغيرات في السرعة والمسافة بدقة بين مركبتين فضائيتين متطابقتين تحلقان في مدار قطبي على بُعد حوالي 220 كيلومترًا (140 ميلًا) وارتفاع 500 كيلومتر (310 أميال) فوق سطح الأرض. يتميز نظام قياس المسافة بحساسية عالية تمكنه من رصد تغيرات في المسافة تصل إلى 10 ميكرومترات (ما يعادل عُشر سُمك شعرة الإنسان تقريبًا) على مسافة 220 كيلومترًا. ^{[ 4 ]} وبينما يدور قمرا غريس التوأمان حول الأرض 15 مرة يوميًا، يرصدان تغيرات طفيفة في جاذبية الأرض. فعندما يمر القمر الأول فوق منطقة ذات جاذبية أقوى قليلًا، تُعرف بشذوذ الجاذبية ، فإنه يتقدم قليلًا على القمر الذي يليه. وهذا ما يُسبب زيادة المسافة بين القمرين. ثم يمر القمر الأول فوق منطقة الشذوذ، ويتباطأ مجددًا؛ وفي الوقت نفسه، يتسارع القمر الثاني، ثم يتباطأ فوق النقطة نفسها. من خلال قياس المسافة المتغيرة باستمرار بين القمرين الصناعيين ودمج تلك البيانات مع قياسات تحديد المواقع الدقيقة من أجهزة نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، يستطيع العلماء إنشاء خريطة مفصلة لشذوذات جاذبية الأرض.  

يحافظ القمران الصناعيان (المُلقبان "توم" و"جيري" ) باستمرار على اتصال ثنائي الاتجاه بينهما باستخدام موجات الميكروويف في نطاق K. تُجرى قياسات دقيقة للمسافة من خلال مقارنة تغيرات تردد هذا الاتصال. ويُمكن تحقيق ذلك بفضل المذبذب فائق الاستقرار (USO) الموجود على متن القمرين، والذي يُنتج الترددات اللازمة لنظام تحديد المدى في نطاق K. ^{[ 38 ]} تتطلب حساسية هذا القياس، التي تصل إلى مستوى الميكرومتر، قياسات دقيقة لموقع كل مركبة فضائية وحركتها واتجاهها لتكون مفيدة. ولإزالة تأثير القوى الخارجية غير الجاذبية (مثل مقاومة الهواء وضغط الإشعاع الشمسي )، تستخدم المركبات مقاييس تسارع كهروستاتيكية فائقة الحساسية من نوع Super STAR، موجودة بالقرب من مركز كتلة كل منها. تُستخدم أجهزة استقبال نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) لتحديد المواقع الدقيقة لكل قمر صناعي على طول الخط الفاصل بين القمرين. كما يستخدم القمران كاميرات رصد النجوم ومقاييس المغناطيسية لتحديد اتجاههما . تحتوي مركبات GRACE أيضًا على عاكسات زاوية بصرية لتمكين قياس المسافة بالليزر من المحطات الأرضية باستخدام وحدة ضبط مركز الكتلة (MTA) التي تضمن تعديل مركز الكتلة طوال الرحلة وفقًا لذلك. ^{[ 38 ]}

تقوم كل من CSR وGFZ وJPL بمعالجة بيانات الرصد والبيانات المساعدة المُنزّلة من GRACE لإنتاج نماذج جيوبوتنشالية شهرية للأرض. ^{[ 39 ]} تُوزّع هذه النماذج كمعاملات توافقية كروية بحد أقصى 60 درجة. كما تتوفر منتجات من الدرجة 90 درجة. ويبلغ زمن استجابة هذه المنتجات عادةً من شهر إلى شهرين. يمكن استخدام هذه المعاملات الجيوبوتنشالية لحساب ارتفاع الجيود ، وشذوذات الجاذبية، والتغيرات في توزيع الكتلة على سطح الأرض. ^{[ 40 ]} تتوفر منتجات مُقسّمة إلى شبكة تُقدّر التغيرات في الكتلة بوحدات سُمك الماء السائل المكافئ على موقع GRACE Tellus التابع لـ JPL.