GRACE (우주선)

3. GRACE의 작동 원리

GRACE는 220km 간격을 두고 지구 상공 500km에서 극궤도를 비행하는 두 대의 동일한 우주선("톰"과 "제리")을 이용한다. 이 우주선들은 마이크로파 거리 측정 시스템을 통해 서로 간의 속도 및 거리 변화를 정확하게 측정한다. 이 시스템은 220km 거리에서 10마이크로미터(사람 머리카락 굵기의 약 1/10)만큼 작은 거리 변화도 감지할 수 있다.^[4]

GRACE 쌍둥이 위성은 하루에 15번 지구를 돌면서 지구 중력의 미세한 변화를 감지한다. 첫 번째 위성이 중력 이상 지역을 통과하면 뒤따르는 위성보다 약간 앞서게 되어 위성 간 거리가 증가한다. 이후 첫 번째 위성은 중력 이상 지역을 통과하여 속도가 느려지고, 뒤따르는 위성은 같은 지점에서 가속 후 감속한다. 이처럼 두 위성 사이의 끊임없이 변화하는 거리를 측정하고, GPS 장비의 정밀한 위치 측정과 결합하여 지구 중력 이상에 대한 자세한 지도를 구성한다.

두 위성은 K 밴드 마이크로파 거리 측정 링크를 지속적으로 유지한다. 미세한 거리 측정은 링크의 주파수 이동을 비교하여 수행되며, 이는 온보드 초안정 발진기(USO) 덕분에 가능하다.^[36] 각 우주선의 위치, 이동 및 방향에 대한 정확한 측정이 필요하다. 또한 외부의 비중력적 힘(예: 항력, 태양 복사 압력)의 영향을 제거하기 위해, 위성은 질량 중심 근처에 Super STAR 정전기 가속도계를 장착하고 있다. GPS 수신기는 위성 간 기준선에 따른 각 위성의 정확한 위치를 설정하는 데 사용된다. 위성은 별 카메라와 자력계를 사용하여 자세를 설정한다. GRACE 위성은 광학 코너 반사기를 갖추고 있어 지상국에서 레이저 거리 측정을 할 수 있으며, 질량 중심 트림 어셈블리(MTA)를 통해 비행 중 질량 중심을 적절하게 수정할 수 있다.^[36]

4. 장비(페이로드)

KBR은 두 위성 간 거리를 측정해 지구의 중력 변화를 측정하는 장비이다.^[103]

USO는 탐사선 간, 그리고 지구와의 통신을 담당한다.^[104][105]

ACC는 위성의 중력가속도를 측정해 지구의 중력 변화를 측정한다.^[106][107]

SCA는 별의 위치를 기준으로 두 위성의 방향을 정확히 측정하여 각 지역에 따른 지구의 중력 변화를 파악한다.^[108][109]

CES는 지구와 태양의 위치를 추적해 지구 궤도를 정확하게 측정한다.^[110][111]

MTA는 일종의 반작용 휠로, 위성의 각도와 위치 등을 조정한다.^[112][113]

GPS는 별자리와의 거리를 측정한다.^[114][115]

GSA는 전력 분배를 담당한다.^[116][117]

5. 주요 발견 및 응용

GRACE는 이전보다 훨씬 정확한 월간 중력 이상 지도를 생성하여 해양학, 수문학, 빙하학, 지질학 등 다양한 분야의 연구에 기여했다.^[15] 특히 해수면 상승 원인 규명, 빙상 질량 감소 측정, 지하수 고갈, 대수층 변화 관측 등 지구 환경 변화 연구에 중요한 데이터를 제공했다.^[68]

빙상의 얇아짐, 대수층을 통한 물의 흐름, 지구 내부 마그마의 느린 흐름 등 GRACE의 질량 측정은 이러한 중요한 자연 과정에 대한 이해를 높였다.

GRACE 데이터는 지구 규모 해류에 대한 이해를 높였다. GRACE는 해수면 높이 변화를 통해 해류와 기후에 미치는 영향을 더 정확하게 측정했다. 또한, 해수면 상승의 원인이 빙하가 녹아 바다 질량이 증가한 것인지, 물의 가열에 의한 열팽창이나 염분 농도 변화에 의한 것인지 연구하는 데 중요한 역할을 한다.^[69]

2006년에는 GRACE 데이터를 사용하여 남극에서 약 2억 5000만 년 전에 생성된 것으로 추정되는 폭 480km의 윌크스랜드 크레이터를 발견했다.^[70] 아마존 분지의 물 순환 및 후빙기 융기 현상의 위치와 크기를 매핑하는 데도 GRACE 데이터가 사용되었다. 2004년 인도양 쓰나미를 일으킨 수마트라섬 지진에 의한 지각 변위 분석에도 사용되었다.^[71] GRACE 데이터를 사용한 해저 압력의 새로운 계산법도 개발되었다.^[72]

5. 1. 해양학, 수문학 및 빙상 연구

2002년부터 2019년까지 약 0.8 W/m²의 지구 에너지 불균형으로 인한 해양 열 함량 증가도 마찬가지로 발견되었다.^[22][23]

GRACE 데이터는 다른 형태의 원격 감지로 접근할 수 없는 지역 수문학에 대한 통찰력도 제공했다. 예를 들어, 인도^[24]와 캘리포니아의 지하수 고갈.^[25] 아마존 분지의 연간 수문학은 GRACE로 볼 때 특히 강력한 신호를 제공한다.^[26] 2015년 6월 16일 ''Water Resources Research''에 발표된 캘리포니아 대학교 어바인 주도 연구는 2003년에서 2013년 사이의 GRACE 데이터를 사용하여 세계 37개 대수층의 상태를 분석했다.

5. 2. 지구 물리학적 응용

5. 3. 측지학 분야 기여

6. 임무 종료 및 후속 임무 (GRACE-FO)

2017년 9월, GRACE-2의 배터리 문제와 전력 분배 장치 고장이 발견되면서, 연구진들은 10월 중순 GRACE-1과 GRACE-2를 퇴역시키기로 결정했다.^[122] 이후 GRACE-2는 2017년 12월 24일,^[123] GRACE-1은 2018년 3월 10일 지구 대기권에 재진입하여 소멸했다.^[124]

GRACE의 운용은 당초 5년 예정이었으나, 2013년경부터 위성의 배터리 성능 저하가 나타나기 시작했다. 2017년 10월, 배터리 셀 고장으로 과학 관측이 불가능해지자 15년간의 관측을 마치고 운용을 종료했다.^[66]

GRACE의 후속 임무인 GRACE-FO는 2018년 5월 22일에 발사되었다.^[67] GRACE-FO는 레이저 거리 측정기를 탑재하여 위성 간 거리 측정 정밀도를 향상시켰다.

6. 1. GRACE-FO 개요

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