그레이스 앤드 그레이스-FO

GRACE and GRACE-FO
그레이스
GRACE spacecraft model 2.png
쌍둥이 GRACE 위성 그림
이름GRACE-1 및 GRACE-2[1][2]
톰과 제리[1][2]
ESSP-2A 및 ESSP-2B[3]
미션형중력 과학
연산자나사 · DLR
COSPAR2002-012A 및 2002-012B
새캣27391과 27392
웹사이트www.csr.utexas.edu/grace
임무 기간계획: 5년
기말고사: 15년 7개월 9일
우주선 속성
버스플렉스버스[3]
제조사아스트리움
발사 질량각각[4] 487kg(1,074lb)
치수1.942 × 3.123 × 0.72 m(6.4 × 10.2 × 2.4 ft)[4]
미션의 시작
출시일자2002년 3월 17일 09:21(2002-03-17)UTC09:21) UTC[5]
로켓로콧-KM #2[3]
발사장플레세츠크 LC-133/3[3]
계약자유로콧
미션 종료
선언된2017년 10월 27일 (2017-10-28)[6]
붕괴일자Grace-1: 2018년 3월 10일,
06:09 UTC[7]
45°54°S 동경 20도 24도 / 45.9°S 20.4°E / -45.9; 20.4
2017년 12월 24일
00:16 UTC[8]
63°54°N 160°54°W / 63.9°N 160.9°W / 63.9; -160.9
궤도 매개변수
참조 시스템지리학
반주축6,873.5km(4,271.0mi)
편심성0.00182
페리기 고도483km(300mi)
아포기 고도508km(316mi)
기울기89.0°
기간94.5분
신기루2002년 3월 17일 04:21 UTC[5]

중력회복 및 기후실험(GRACE)은 NASA와 독일항공우주센터(DLR)의 공동 임무였다. 쌍둥이 인공위성은 2002년 3월 발사 때부터 2017년 10월 과학임무 종료 때까지 지구 중력장 이상에 대한 상세한 측정을 했다. 중력 회복 및 기후 실험 후속 조치(GRACE-FO)는 2018년 5월 발사된 거의 식별 가능한 하드웨어에 대한 임무의 연속이다.

GRACE는 중력 이상을 측정함으로써 질량이 지구 전체에 어떻게 분포하고 시간이 지남에 따라 어떻게 변화하는지 보여주었다. GRACE 인공위성의 데이터는 지구의 해양, 지질학, 기후를 연구하는 데 중요한 도구다. GRACE는 오스틴에 있는 텍사스 대학교의 우주 연구 센터, NASA의 제트 추진 연구소, 독일 항공우주 센터, 포츠담에 있는 독일 국립 지리학 연구 센터와 관련된 협력적인 노력이었다.[9] 제트추진연구소는 NASA ESSP(Earth System Science Pathfinder) 프로그램에 따른 전반적인 임무 관리를 담당했다.

주임 조사관은 텍사스대 우주연구센터의 바이런 태플리(Byron Tapley)이고, 공동주임 조사관은 지오포스청스젠트럼(GFZ) 포츠담의 크리스토프 레이거(Christop Regber)이다.[10]

GRACE-1과 GRACE-2 인공위성 2기(GRACE-1과 GRACE-2)는 2002년 3월 17일 러시아 플레세츠크 우주기지에서 로코트(SS-19 + 브리즈 어퍼 스테이지) 발사 차량에 실려 발사됐다. 이 우주선은 약 500km의 초기 고도로 89°의 극지방 기울기로 발사되었다. 정상 작동 중, 위성은 궤도를 따라 220km 떨어져 있었다. 이 시스템은 30일마다 전세계 커버리지를 모을 수 있었다.[11] GRACE는 2017년 10월 27일 GRACE-2가 해체될 때까지 15년간 운영하면서 설계 수명을 크게 초과했다.[6] 후임인 GRACE-FO가 2018년 5월 22일 성공적으로 출범했다.

2019년, GRACE 임무의 이름을 따서 서 남극 대륙의 빙하가 명명되었다.[12][13]

발견 및 응용 프로그램

GRACE의 중력 이상 지도
GRACE에 의해 측정된 해저압력의 변화

GRACE에 의해 생성된 월간 중력 이상 지도는 이전 지도보다 최대 1,000배 더 정확하여 해양학자, 수문학자, 빙하학자, 지질학자 및 기타 과학자들이 기후에 영향을 미치는 현상을 연구하기 위해 사용한 많은 기법의 정확도를 실질적으로 향상시켰다.[14]

빙판이 얇아지는 것에서부터 수족관을 통한 물의 흐름과 지구 내부의 마그마의 느린 흐름까지, GRACE가 제공하는 질량 측정은 과학자들이 이러한 중요한 자연 과정을 더 잘 이해할 수 있도록 돕는다.

해양학, 수문학, 빙상

GRACE는 지구 전체의 물 분포의 변화를 주로 감지했다. 과학자들은 GRACE 데이터를 이용하여 해저 압력(해양과 대기의 결합된 무게)을 추정하는데 이것은 기상학자들에게 대기압만큼 해양학자들에게 중요하다.[15] 예를 들어, 해양 압력 구배를 측정하는 것은 과학자들이 심해 흐름의 월간 변화를 추정할 수 있게 해준다.[16] 이 연구에서 GRACE의 제한적인 해상도는 큰 해류를 해양 부표망에 의해 추정되고 검증될 수 있기 때문에 허용된다.[15] 과학자들은 또한 GRACE 데이터를 사용하여 지구의 중력장을 설명하는 개선된 방법들을 상세히 소개했다.[17] GRACE 데이터는 해수면 상승의 원인을 파악하는 데 매우 중요하다.[18] 예를 들어, 빙하가 녹으면서 질량이 바다에 더해진 결과인지 또는 따뜻한 물의 열팽창이나 염분 변화로 인한 것인지. GRACE 데이터에서 추정된 고해상도 정중력장은 전 세계 해양 순환에 대한 이해를 높이는 데 도움을 주었다. 바다 표면의 언덕과 계곡(해양 표면 지형)은 지구 중력장의 조류와 변화 때문이다. GRACE는 해류와 해류가 기후에 미치는 영향을 더 잘 측정하기 위해 이 두 가지 효과의 분리를 가능하게 한다.[19]

GRACE 데이터는 그린란드와 남극 대륙의 빙판 안에서 대량 손실의 기록을 제공했다. 그린란드는 2003년과 2013년 사이에 연간 280±58Gt의 얼음이 손실되는 것으로 나타났으며, 남극은 같은 기간 동안 연간 67±44Gt의 얼음이 손실된 것으로 나타났다.[20] 이는 해수면 상승의 총 0.9 mm/yr에 해당한다. GRACE 데이터는 또한 인도와[21] 캘리포니아의 지하수 고갈과 같은 다른 형태의 원격 감지에 접근할 수 없는 지역 수문학에 대한 통찰력을 제공했다.[22] 아마존 유역의 연간 수문학은 GRACE가 볼 때 특히 강한 신호를 제공한다.[23]

2015년 6월 16일 캘리포니아 대학교 어바인 주도 수자원연구에 발표된 연구에서는 2003년부터 2013년 사이에 GRACE 데이터를 사용하여 세계 37대 대수층 중 21곳이 "지속가능성 팁 포인트를 초과해 고갈되고 있다"고 결론 내렸고, 이 중 13명이 "심각하게 고통받고 있다"고 결론 내렸다. 가장 과도한 스트레스를 받는 것은 아라비아 대수층 시스템으로, 6천만 명 이상의 사람들이 물을 의존하고 있다.[24]

지구물리학

GRACE는 해양, 육지, 대기를 통한 물의 움직임을 추적하기 위해 지구 궤도에 있는 두 우주선의 움직임을 정밀하게 측정한다.
GRACE가 측정한 그린란드 및 남극 빙상의 질량 변화

GRACE는 또한 지구물리학적 과정에 의한 중력장의 변화를 감지한다. 빙하 이등변형 조정 - 마지막 빙하시대에서 빙상의 무게로 인해 한 때 침체되었던 육지 질량의 느린 증가가 이 신호들 중 주요 원인이다. GIA 신호는 중력장 측정에서 세속적인 추세로 나타나며, 한 지역의 물과 얼음 질량의 변화를 정확하게 추정하기 위해 제거되어야 한다.[25] GRACE는 지진으로 인한 중력장의 영구적인 변화에도 민감하다. 예를 들어, GRACE 데이터는 2004년 인도양 쓰나미를 일으킨 지진으로 인한 지구 표면의 변화를 분석하기 위해 사용되었다.[26]

2006년 랄프 폰 프레스와 라라미 팟츠가 이끄는 연구팀은 GRACE 데이터를 이용해 약 2억5000만년 전에 형성된 폭 480km(300mi)의 남극 윌크스 랜드 분화구를 발견했다.[27]

지오디

GRACE의 데이터는 현재의 지구 중력장 모델을 개선하여 지오데시 분야의 개선을 이끌었다. 이 개선된 모델은 지상 고도가 참조되는 등전위 표면의 보정을 허용했다. 이 보다 정확한 기준 표면은 위도와 경도의 보다 정확한 좌표를 가능하게 하고 측지 위성 궤도 계산에서 오차를 줄일 수 있게 해준다.[28]

기타 신호

GRACE는 대기 질량의 지역적 변화와 해양 바닥 압력의 고주파 변화에 민감하다. 이러한 변동은 잘 이해되며 앨리어싱을 방지하기 위해 예측 모델을 사용하여 월간 중력 추정치에서 제거된다.[29] 그럼에도 불구하고, 이 모델들의 오류는 GRACE 솔루션에 영향을 미친다.[30]

GRACE 데이터는 기초 물리학에도 기여한다. 이들은 상대론적 프레임 드래깅 효과를 측정하기 위해 LAGEOS 실험에서 얻은 데이터를 다시 분석하는 데 사용되어 왔다.[31][32]

우주선

GRACE 우주선에 탑재된 시스템과 계측기를 보여주는 다이어그램
GRACE의 지구 중력 이상 애니메이션

이 우주선은 독일의 아스트리움에서 "플렉스버스" 플랫폼을 사용하여 제조했다. 마이크로파 RF 시스템과 자세 결정 및 제어 시스템 알고리즘은 스페이스 시스템/도덕에 의해 제공되었다. 우주선 자세 측정에 사용되는 스타 카메라는 덴마크 공과대학에서 제공한 것이다. 이 기기 컴퓨터는 매우 정밀한 블랙잭 GPS 수신기와 디지털 신호 처리 시스템과 함께 패서디나의 JPL에 의해 제공되었다. 대기압과 일사압 영향을 중력 데이터에서 분리하는 데 필요한 고정밀 가속도계는 ONERA가 제작했다.

측정 원리

GRACE의 핵심 측정인 위성 중력 측정은 전자파에서 도출된 것이 아니다. 대신 이 임무는 마이크로파 탐지 시스템을 이용해 지구 상공 500km(310mi) 떨어진 약 220km(140mi) 떨어진 극궤도를 비행하는 동일한 우주선 두 대 사이의 속도와 거리 변화를 정확히 측정한다. 레인지 시스템은 220km 거리에서 10마이크로미터(인간의 머리카락 너비의 10분의 1 정도) 정도의 작은 분리 변화를 감지할 수 있을 정도로 민감하다.[4] 쌍둥이 GRACE 위성이 하루에 15번 지구 주위를 돌면서 지구의 중력에서 미세한 변화를 감지한다. 첫 번째 위성이 약간 더 강한 중력 이상 지역, 즉 중력 이상 지역을 통과할 때, 그것은 후행 위성보다 약간 앞서 당겨진다. 이것은 인공위성 사이의 거리를 증가시킨다. 그리고 나서 첫 번째 우주선은 이 변칙을 통과하고, 다시 속도를 줄인다. 그러는 동안, 뒤따르는 우주선은 가속하고, 같은 지점에서 감속한다. 과학자들은 두 위성 사이의 끊임없이 변화하는 거리를 측정하고 이 데이터를 위성위치확인시스템(GPS) 계측기의 정확한 위치 측정과 결합함으로써 지구의 중력 이상에 대한 상세한 지도를 만들 수 있다.

계기

두 위성(별칭 '톰'과 '제리')은 끊임없이 K밴드 마이크로파 간 쌍방향의 연결을 유지한다. 미세한 거리 측정은 링크의 주파수 이동을 비교하여 이루어진다. 이는 K-밴드 레인지링 시스템의 주파수를 생산하는 탑재형 URSO(Ultra Stabil Oscillator) 때문에 가능하다.[33] 이 측정의 마이크로미터 민감도는 따라서 각 우주선의 위치, 움직임 및 방향을 정밀하게 측정해야 유용하다. 외부 비중력력력(예: 드래그, 태양 복사 압력)의 영향을 제거하기 위해 차량은 각각의 질량 중심 근처에 위치한 민감한 슈퍼스타 정전기 가속도계를 사용한다. GPS 수신기는 위성 사이의 기준선을 따라 각 위성의 정확한 위치를 설정하는 데 사용된다. 인공위성은 항성 카메라와 자기계측기를 사용하여 자세를 확립한다. GRACE 차량에는 광학 코너 리플렉터가 있어 질량 중심이 그에 따라 비행 전체에 걸쳐 수정되도록 하는 MTA(Mass Trim Assembly)를 사용하여 지상 스테이션에서 레이저 범위 조정이 가능하다.[33]

데이터 제품

CSR, GFZ, JPL은 GRACE에서 다운로드한 관측 및 보조 데이터를 처리하여 매월 지구 지오포텐셜 모델을 생산한다.[34] 이 모델들은 최대 60도의 구형 고조파 계수로 분포한다. 90도 제품도 이용할 수 있다. 이 제품들은 일반적으로 1~2개월의 대기 시간을 가진다. 이러한 지오포텐셜 계수는 지오이드 높이, 중력 이상 및 지구 표면 질량 분포의 변화를 계산하는 데 사용될 수 있다.[35] JPL의 GRACE Tellus 웹사이트에서 액체 물 등가 두께 단위의 질량 변화를 추정하는 그리드 제품을 이용할 수 있다.

미션 종료

2017년 9월 GRACE-2에 대한 연령 관련 배터리 문제 이후 GRACE-2의 남은 배터리 용량이 작동하기에 충분하지 않을 것이라는 것이 명백해졌다. 이에 따라 10월 중순 GRACE-2 위성을 해체하고 GRACE의 과학 임무를 종료하기로 결정했다.[6] GRACE-2의 대기권 재진입은 2017년 12월 24일 약 00:16 UTC에서 발생했으며,[8] GRACE-1의 대기권 재진입은 2018년 3월 10일 06:09 UTC 주변에서 발생했다.[7]

GRACE 후속 조치

그레이스-FO
GRACE-FO.jpg
2개의 GRACE-FO 위성 그림
이름
미션형중력 과학
연산자나사 · DLR[38]
COSPAR2018-047A 및 2018-047B
새캣43476과 43477
웹사이트nasa.gov/missions/grace-fo/
임무 기간계획: 5년
경과: 3년, 5개월, 4일
우주선 속성
버스플렉스버스[39]
제조사에어버스 디펜스 앤 스페이스(구 아스트리움)[40]
발사 질량각각[41] 600kg(1,300lb)
치수1.943 × 3.123 × 0.78 m(6.4 × 10.2 × 2.6 ft)[41]
미션의 시작
출시일자2018년 5월 22일 19:47:58(2018-05-22)UTC19:47:58) UTC
로켓팰컨 9
발사장반덴버그 AFB, 캘리포니아 주
계약자스페이스X
궤도 매개변수
참조 시스템지리학
반주축6,872.2km(4,1972.2mi)
편심성0.00179
페리기 고도481.7km (1983.3mi)
아포기 고도506.3km(314.6mi)
기울기89.0°
기간94.5분
신기루2019년 9월 29일 15:36:45 UTC[42]

NASA와 GFZ의 합작품인 GRACE-FO 미션은 2018년 5월 22일 캘리포니아주 반덴버그 AFB에서 스페이스X Falcon 9 로켓을 타고 이리듐 NEXT 위성 5대와 발사를 공유하며 발사됐다.[43][44] 인오비트(in-orbit) 점검 중 마이크로파 기기(MWI)의 1차 시스템 구성품에서 이상이 발견돼 2018년 7월 19일 일시적으로 시스템 전원이 꺼졌다.[45] JPL 이상대응팀의 전수조사 결과 2018년 10월 19일 MWI의 백업 시스템에 전원이 공급되고 GRACE-FO가 인오빗 검사를 재개했다.[45][46] GRACE-FO는 2019년 1월 28일 임무의 과학 단계에 들어갔다.[47]

GRACE-FO의 궤도와 디자인은 이전 것과 매우 유사하다.[48] GRACE-FO는 GRACE와 동일한 양방향 마이크로파 레인지 링크를 사용하므로 위성 간 레인지 정밀도가 유사하다. 또 GRACE-FO는 미래 위성에 대비한 기술 실험으로 레이저 범위 간섭계(LRI)를 채택하고 있다.[49][50][51] LRI는 빛의 파장이 짧아 위성 간 범위를 보다 정확하게 측정할 수 있으며, 또한 DWS(Different Wavefront Sensing)를 통해 두 우주선 사이의 각도를 측정할 수 있다.[52][53][54] 과학자들은 LRI를 사용해 GRACE 임무에 비해 20배 이상의 계수만큼 분리 거리 측정의 정밀도를 개선했다.[48][55] LRI의 각 레이저에는 4개의 레이저 포인터와 거의 동일한 파워가 있다.[56] 이 레이저들은 약 220km 떨어진 우주선에 의해 탐지되어야 한다.[56] 이 레이저 접근법은 이전의 GRACE 위성 임무보다 훨씬 더 정확한 측정을 생성할 것이다.[57]

GRACE-FO 위성은 각 위성의 외부를 덮고 있는 갈륨 비소 태양전지 어레이 패널로부터 전기를 얻는다.[58]

GRACE-FO는 지구의 중력과 기후를 계속 감시할 것이다. 이 임무는 지구 해수면, 빙하, 빙하, 빙상의 중력 변화를 추적하고, 큰 호수, 강 수위와 토양 습기를 추적할 것이다.[52] 또 위성 각각은 GPS 안테나를 이용해 하루 최소 200개 이상의 대기온도 분포와 수증기 함량을 만들어 GRACE 임무에 처음 투입된다.[48]

GRACE-FO의 설계 수명은 5년이다.[48][59]

참고 항목

참조

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