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La gravità terrestre ci rivela dati sul cambiamento climatico

Grace sat NASA

Il 17 marzo 2002 è stato lanciato il duo satellitare tedesco-statunitense GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) per mappare il campo gravitazionale globale con una precisione senza precedenti. La missione è durata 15 anni, più di tre volte il tempo previsto. Quando i due satelliti si sono bruciati nell’atmosfera terrestre alla fine del 2017 e all’inizio del 2018, hanno registrato il campo gravitazionale della Terra e le sue variazioni su oltre 160 mesi.

Questa cosiddetta gravimetria satellitare risolta in tempo rende possibile, tra le altre cose, monitorare il ciclo dell’acqua terrestre, il bilancio di massa delle calotte glaciali e dei ghiacciai e il cambiamento del livello del mare, e quindi capire meglio i meccanismi del sistema climatico globale , valutare con precisione le tendenze climatiche importanti e prevedere le possibili conseguenze.

Una recensione sulla rivista Nature Climate Change presenta punti salienti nel campo della ricerca sul clima basata sulle osservazioni di GRACE.

Ghiaccio e ghiacciai

GRACE ha prodotto la prima misurazione diretta della perdita di massa di ghiaccio dalle calotte glaciali e dai ghiacciai. In precedenza, era stato possibile solo stimare le masse e le loro modifiche usando metodi indiretti. Nei primi due anni della missione, era già possibile osservare chiari segnali di perdita di massa di ghiaccio in Groenlandia e in Antartide. I dati misurati hanno mostrato che il 60% della perdita totale di massa è dovuta alla maggiore produzione di melt in risposta alle tendenze del riscaldamento artico, mentre il 40% è dovuto ad un aumento del flusso di ghiaccio nell’oceano. Secondo i dati di GRACE, tra aprile 2002 e giugno 2017, la Groenlandia ha perso circa 260 miliardi di tonnellate di ghiaccio all’anno, l’Antartide circa 140 miliardi di tonnellate. Oltre alle tendenze a lungo termine, i dati sul campo gravitazionale forniscono anche prove degli effetti diretti dei fenomeni climatici globali come El Niño su ghiaccio e ghiacciai in tutto il mondo.

Stoccaggio di acqua terrestre

Tra i contributi più importanti della missione GRACE è stata la presentazione del mutevole paesaggio fluviale della Terra, che ha profonde implicazioni per l’acqua, il cibo e la sicurezza umana. Le stime globali delle tendenze GRACE suggeriscono un aumento dello stoccaggio idrico nelle alte e basse latitudini, con una minore capacità di stoccaggio nelle medie latitudini. Sebbene il record di GRACE sia relativamente breve, questa osservazione dei cambiamenti su larga scala nel ciclo idrologico globale è stata un’importante conferma iniziale dei cambiamenti previsti dai modelli climatici nel corso del XXI secolo.

L’analisi dei dati GRACE ha anche aiutato i ricercatori a valutare il livello del mare in modo più accurato, poiché lo stoccaggio di acqua dolce sulla terra è collegato al livello del mare con vari meccanismi. Le analisi dei dati GRACE hanno consentito la prima stima delle variazioni dello stoccaggio delle acque sotterranee dallo spazio. Confermano tassi eccessivi di esaurimento delle falde acquifere dalle singole falde acquifere di tutto il mondo. I dati sulla conservazione delle acque terrestri hanno anche contribuito alla convalida e alla calibrazione di vari modelli climatici.

Cambiamento del livello del mare e dinamiche oceaniche

Entro questo secolo, l’innalzamento del livello del mare potrebbe accelerare fino a 10 millimetri all’anno, un tasso senza precedenti negli ultimi 5000 anni e una conseguenza profonda e diretta di un clima caldo. Le misurazioni del livello del mare ad alta precisione sono disponibili sin dai primi anni ’90, ma mostrano solo il cambiamento assoluto del livello del mare . Nei 25 anni tra il 1993 e il 2017, il livello del mare è aumentato in media di 3,1 millimetri all’anno.

Per scoprire come l’espansione termica, il ghiaccio in fusione e l’afflusso continentale di acqua influiscono sul livello del mare, è necessario studiare la distribuzione di massa dell’acqua. GRACE ha dimostrato che 2,5 millimetri di innalzamento del livello medio annuo del mare di 3,8 millimetri tra il 2005 e il 2017 è causato dall’afflusso di acqua o altra massa e di 1,1 millimetri dall’espansione termica dell’acqua. Risolvere questa composizione è importante per le proiezioni a livello del mare.

I dati GRACE forniscono un vincolo sul cambiamento di massa oceanica, e quindi indirettamente sullo squilibrio energetico della Terra, che è una metrica globale fondamentale del cambiamento climatico. GRACE ha dimostrato che la maggior parte del riscaldamento rilasciato dall’aumento della temperatura si verifica nei 2000 metri più alti degli oceani, che sono i più importanti pozzi di energia dei cambiamenti climatici. GRACE contribuisce anche a una migliore comprensione delle dinamiche e dell’impatto delle correnti oceaniche, in particolare per l’Oceano Artico.

Applicazioni del servizio climatico

I dati sul campo gravitazionale dei satelliti GRACE hanno migliorato il monitor contro la siccità negli Stati Uniti. Questo aiuta le autorità statunitensi a reagire alla siccità in modo tempestivo e ragionevole. Con il Servizio europeo di gravità per una gestione delle emergenze migliorata (EGSIEM), l’Unione europea ha promosso un servizio volto a identificare i rischi di alluvione regionali il prima possibile. Tra aprile e giugno 2017 si sono svolte delle prove con dati storici sulle piene, a dimostrazione del fatto che gli indicatori di umidità per i grandi bacini fluviali determinati da GRACE possono migliorare le previsioni del Mississippi o del Danubio, ad esempio. I risultati attuali mostrano anche che i dati GRACE possono essere utilizzati per prevedere con maggiore precisione il rischio di incendi stagionali.

Il GFZ gestiva la missione GRACE insieme al Centro aerospaziale tedesco (DLR) e sul lato statunitense con il Jet Propulsion Laboratory (JPL) della NASA. Nel maggio 2018, le parti interessate hanno lanciato la missione di follow-up, GRACE Follow-on (GRACE-FO). Le prime mappe mensili del campo di gravità dovrebbero essere disponibili per gli utenti internazionali entro la fine di luglio di quest’anno. Le difficoltà impreviste hanno ritardato la presentazione dei prodotti. “Il motivo è stato il fallimento di un’unità di controllo sul secondo satellite GRACE-FO”, spiega Frank Flechtner di GFZ. “Ciò ha reso necessario il passaggio all’unità sostitutiva installata per tali scenari, ma ora, con GRACE-FO, una registrazione più lunga di due decenni dei cambiamenti di massa nel sistema Terra è a portata di mano.”

Sfondo: il peso dell’acqua

Maggiore è la massa di un oggetto, maggiore è la sua attrazione gravitazionale. Ad esempio, le Alpi esercitano un’attrazione gravitazionale superiore rispetto alle pianure della Germania settentrionale. Quando i satelliti orbitano attorno alla Terra e sorvolano una regione massiccia, accelerano in minima parte quando si avvicinano e rallentano mentre volano via.

Una piccola parte della gravitazione che emana dalla Terra si basa sull’acqua sulla o vicino alla superficie di oceani, fiumi, laghi, ghiacciai e sottosuolo. Quest’acqua reagisce a stagioni, tempeste, siccità o altri effetti meteorologici. GRACE ha approfittato dello spostamento di massa dell’acqua registrando il suo effetto sul duo satellite che orbita attorno alla Terra per 220 chilometri di fila. Le microonde venivano utilizzate per misurare la loro distanza. Questa distanza è cambiata nel tempo a causa dello spostamento di massa sulla Terra. Dai dati, i ricercatori hanno poi calcolato le mappe mensili dei cambiamenti regionali nell’attrazione gravitazionale della Terra e i cambiamenti causali nelle masse sulla superficie.

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