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重力回復気候実験( GRACE ) は、 NASAとドイツ航空宇宙センター(DLR)の共同ミッションでした。2 機の衛星は、2002 年 3 月の打ち上げから 2017 年 10 月に科学ミッションが終了するまで、地球の重力場の異常を詳細に測定しました。この 2 機の衛星は、有名な漫画にちなんで、トムとジェリーと呼ばれることもありました。GRACE後継機( GRACE-FO ) は、ほぼ同じハードウェアでこのミッションを継続するもので、2018 年 5 月に打ち上げられました。2024 年 3 月 19 日、NASA は、GRACE-FO の後継機はGRACE-Continuity ( GRACE-C ) であり、2028 年 12 月に打ち上げられると発表しました。 [ 9 ] [ 10 ]
GRACEは重力異常を測定することで、地球の質量がどのように分布しているか、またそれが時間とともにどのように変化するかを示しました。GRACE衛星からのデータは、地球の海洋、地質、気候を研究するための重要なツールです。GRACEは、テキサス大学オースティン校の宇宙研究センター、 NASAのジェット推進研究所、ドイツ航空宇宙センター、ドイツ国立地球科学研究センター（ポツダム）が参加した共同事業でした。[ 11 ]ジェット推進研究所は、NASAのESSP（地球システム科学パスファインダー）プログラムの下で、ミッション全体の管理を担当しました。
主任研究者はテキサス大学宇宙研究センターのバイロン・タプリー氏、共同主任研究者はポツダム地球科学研究センター（GFZ）のクリストフ・ライバー氏である。[ 12 ]
GRACE衛星2機、GRACE-1とGRACE-2は、 2002年3月17日にロシアのプレセツク宇宙基地から、ロコット（SS-19 +ブリズ上段）ロケットで打ち上げられた。宇宙機は、 軌道傾斜角89°で高度約500kmまで打ち上げられた。通常の運用中、衛星は 軌道上で220km離れていた。このシステムは30日ごとに地球全体をカバーできた。[ 13 ] GRACEは設計寿命5年をはるかに超え、2017年10月27日にGRACE-2が運用終了するまで15年間運用された。 [ 6 ]後継機であるGRACE-FOは、2018年5月22日に打ち上げに成功した。
GRACEによって提供された測定データは、氷床の薄化、帯水層を通る水の流れ、地殻変動などの現象に対する理解を深めてきた。
GRACEは主に地球上の水の分布の変化を検出しました。科学者はGRACEデータを使用して、海洋学者にとって気象学者にとっての大気圧と同様に重要な海底圧力（海水と大気の合計重量）を推定します。[ 16 ]例えば、海洋圧力勾配を測定することで、科学者は深層海流の月ごとの変化を推定できます。[ 17 ] GRACEの限られた解像度は、大規模な海流も海洋ブイネットワークによって推定および検証できるため、この研究では許容されます。[ 16 ]科学者はまた、地球の重力場を記述するためにGRACEデータを使用する改良された方法を詳しく説明しました。[ 18 ] GRACEデータは、海面上昇の原因が、例えば氷河の融解による海洋への質量の追加の結果なのか、温暖化する水の熱膨張や塩分の変化の結果なのかを判断するのに役立ちます。[ 19 ] GRACEデータから推定された高解像度の静的重力場は、地球規模の海洋循環の理解を向上させるのに役立っています。海洋表面の丘や谷（海洋表面地形）は、海流と地球の重力場の変動によって生じます。GRACEは、これら2つの効果を分離して、海流とその気候への影響をより正確に測定することを可能にします。[ 20 ]
GRACEのデータは、グリーンランドと南極の氷床における質量損失の記録を提供している。グリーンランドでは、 2003年から2013年の間に年間280 ± 58ギガトンの氷が失われた一方、南極大陸は 同時期に年間67 ± 44ギガトン。 [ 21 ]これらは合計で 年間0.9mmの海面上昇に相当する。地球のエネルギー不均衡による海洋熱量の増加は約0.8W /m2で、2002年から2019年にかけて同様に確認された。 [ 22 ] [ 23 ]
GRACE データは、他のリモート センシングではアクセスできない地域の水文学に関する洞察も提供してきました。たとえば、インド[ 24 ]とカリフォルニア[ 25 ]の地下水枯渇などです。アマゾン盆地の年間水文学は、GRACE で観測すると強いシグナルを示します。[ 26 ]カリフォルニア大学アーバイン校が主導し、 2015 年 6 月 16 日にWater Resources Researchに掲載された研究では、2003 年と 2013 年の間の GRACE データを使用して、世界の 37 の最大の帯水層のうち 21 が「持続可能性の転換点を超え、枯渇している」と結論付け、そのうち 13 が「著しくストレスを受けている」とみなされています。最も過負荷になっているのはアラビア帯水層システムで、6000 万人以上が水に依存しています。[ 27 ]
GRACEは、地球物理学的プロセスによる重力場の変化も検出します。氷河地殻均衡調整（最後の氷河期に氷床の重みで沈下した陸塊がゆっくりと隆起する現象）も、これらの信号の一つです。GIA信号は重力場の測定値に長期的な傾向として現れるため、地域の水と氷の質量の変化を正確に推定するには、これを除去する必要があります。[ 30 ] GRACEは、地震による重力場の永続的な変化にも敏感です。例えば、GRACEデータは、2004年のインド洋津波を引き起こした地震によって引き起こされた地殻の変動を分析するために使用されています。[ 31 ]
2006年、ラルフ・フォン・フレーゼとララミー・ポッツ率いる研究チームはGRACEのデータを用いて、南極大陸にある直径480キロメートル（300マイル）のウィルクスランド・クレーターを発見した。このクレーターは約2億5000万年前に形成されたと考えられている。[ 32 ]
GRACEからのデータは、現在の地球重力場モデルを改善し、測地学の分野の改善につながっています。この改善されたモデルにより、地表の標高の基準となる等電位面の修正が可能になりました。このより正確な基準面により、緯度と経度の座標の精度が向上し、測地衛星の軌道計算における誤差が減少します。[ 33 ]
GRACEは、大気質量の地域的な変動や海底圧力の高周波変動に敏感です。これらの変動はよく理解されており、エイリアシングを防ぐために予測モデルを使用して月ごとの重力推定値から除去されます。[ 34 ]それにもかかわらず、これらのモデルのエラーはGRACEの解に影響を与えます。[ 35 ]
GRACEデータは基礎物理学にも貢献している。相対論的フレームドラッギング効果を測定するために、LAGEOS実験から得られたデータを再解析するために使用されてきた。[ 36 ] [ 37 ]
宇宙船は、ドイツのアストリウム社が「Flexbus」プラットフォームを使用して製造しました。マイクロ波RFシステム、姿勢決定および制御システムのアルゴリズムは、スペースシステムズ/ローラル社が提供しました。宇宙船の姿勢を測定するために使用されたスターカメラは、デンマーク工科大学が提供しました。計器コンピュータ、高精度BlackJack GPS受信機、およびデジタル信号処理システムは、カリフォルニア州パサデナのJPLが提供しました。重力データから大気圧と太陽放射圧の影響を分離するために必要な高精度加速度計は、 ONERAが製造しました。
GRACE の主要な測定である衛星重力測定は、電磁波から得られるものではありません。代わりに、このミッションではマイクロ波測距システムを使用して、地球上空500 キロメートル (310マイル) で極軌道を約220 キロメートル (140マイル)離れて飛行する 2 つの同一の宇宙船間の速度と距離の変化を正確に測定します。測距システムは、220 キロメートルの距離で 10 マイクロメートル (人間の髪の毛の幅の約 10 分の 1) という小さな分離の変化を検出できるほど感度があります。[ 4 ] 2 機の GRACE 衛星は、1 日に 15 回地球を周回しながら、地球の重力のわずかな変化を感知します。最初の衛星がわずかに重力が強い領域、つまり重力異常の上を通過すると、後続の衛星よりわずかに前に引っ張られます。これにより、衛星間の距離が増加します。最初の宇宙船は異常を通過して再び減速し、その間、後続の宇宙船は加速し、同じ地点で減速します。 2つの衛星間の絶えず変化する距離を測定し、そのデータを全地球測位システム（GPS）機器による高精度な位置情報と組み合わせることで、科学者たちは地球の重力異常の詳細な地図を作成することができる。
2 つの衛星 ( 「トム」と「ジェリー」という愛称) は、常に双方向のK バンドマイクロ波測距リンクを維持しています。リンクの周波数シフトを比較することで、高精度の距離測定が行われます。これは、K バンド測距システムの周波数を生成する搭載超安定発振器 (USO) によって可能になります。[ 38 ]この測定のマイクロメートル単位の感度により、各宇宙機の位置、動き、および姿勢の精密な測定が有用になります。外部の非重力力 (たとえば、抗力、太陽放射圧) の影響を取り除くために、機体はそれぞれの重心付近に配置された高感度 Super STAR 静電加速度計を使用します。GPS 受信機は、衛星間のベースラインに沿った各衛星の正確な位置を確立するために使用されます。衛星は、姿勢を確立するためにスター カメラと磁力計を使用します。 GRACEの機体には光学コーナーリフレクターも搭載されており、重心トリムアセンブリ（MTA）を使用して地上局からレーザー測距を行うことが可能で、飛行中を通して重心が適切に修正されるようになっている。 [ 38 ]
CSR、GFZ、およびJPLは、GRACEからダウンロードした観測データと補助データを処理し、地球の月ごとのジオポテンシャルモデルを作成します。 [ 39 ]これらのモデルは、最大次数が60の球面調和係数として配布されます。次数90の製品も利用可能です。これらの製品の典型的な遅延は1～2か月です。これらのジオポテンシャル係数は、ジオイド高、重力異常、および地球表面の質量分布の変化を計算するために使用できます。[ 40 ]液体の水相当厚さの単位で質量の変化を推定するグリッド化された製品は、JPLのGRACE Tellusウェブサイトで入手できます。
2017 年 9 月に GRACE-2 のバッテリーの経年劣化による問題が発生した後、GRACE-2 の残りのバッテリー容量では運用に十分ではないことが明らかになりました。そのため、10 月中旬に GRACE-2 衛星の運用を終了し、GRACE の科学ミッションを終了することが決定されました。[ 6 ] GRACE-2 の大気圏再突入は 2017 年 12 月 24 日午前 0:16 UTC頃に発生しました。 [ 8 ] GRACE-1 の大気圏再突入は 2018 年 3 月 10 日午前 6:09 UTC 頃に発生しました 。[ 7 ]
NASAとGFZの共同ミッションであるGRACE-FOミッションは、 2018年5月22日にカリフォルニア州ヴァンデンバーグ空軍基地からSpaceXのファルコン9ロケットで打ち上げられ、5機のイリジウムNEXT衛星と同時打ち上げられました。[ 48 ] [ 49 ]軌道上でのチェック中に、マイクロ波機器（MWI）の主要システムコンポーネントに異常が発見され、2018年7月19日にシステムは一時的に電源が切られました。[ 50 ] JPLの異常対応チームによる調査の後、2018年10月19日にMWIのバックアップシステムが電源オンされ、GRACE-FOは軌道上でのチェックを再開しました。[ 50 ] [ 51 ] GRACE-FOは2019年1月28日にミッションの科学フェーズに入りました。[ 52 ]
GRACE-FOの軌道と設計は、前身の衛星と似ています。[ 53 ] GRACE-FOはGRACEと同じ双方向マイクロ波測距リンクを使用しており、同様の衛星間測距精度を実現しています。さらに、GRACE-FOは将来の衛星の準備として、技術実験としてレーザー測距干渉法（LRI）を採用しています。[ 54 ] [ 55 ] [ 56 ] LRIは光の波長が短いため、より正確な衛星間測距が可能になり、さらに差分波面センシング（DWS）により、2つの宇宙機間の角度と分離距離を測定できます。[ 57 ] [ 58 ] [ 59 ] LRIを使用することで、科学者は分離距離測定の精度をGRACEミッションと比較して20倍以上向上させました。[ 53 ] [ 60 ] LRIの各レーザーは、4つのレーザーポインターとほぼ同じ出力を持っています。[ 61 ]これらのレーザーは、約220キロメートル（140マイル）離れた宇宙船によって検出されなければならない。[ 61 ]このレーザー方式は、以前のGRACE衛星ミッションよりもはるかに正確な測定値を生成するだろう。[ 62 ]
GRACE-FO衛星は、各衛星の外側を覆うガリウムヒ素太陽電池アレイパネルから電力を得ている。[ 63 ]
GRACE-FOは地球の重力と気候の監視を続けます。このミッションでは、地球規模の海面、氷河、氷床、大きな湖や河川の水位、土壌水分の重力変化を追跡します。[ 57 ]さらに、各衛星はGPSアンテナを使用して、大気温度分布と水蒸気量のプロファイルを1日あたり少なくとも200個作成します。これはGRACEミッションでは初めてのことです。[ 53 ]
GRACE-FOの設計寿命は5年です。[ 53 ] [ 64 ]
