Så här mäter NASA stigande havsnivåer från rymden

Klimatförändringarna är ett överhängande hot mot mänsklighetens framtid, men det globala klimatet är så komplext att det ofta är svårt att ens se omfattningen av problemet. Ett av de bästa sätten vi har att mäta klimatförändringar kanske inte är vad du förväntar dig – för det handlar inte om att mäta marken eller atmosfären. För att lära oss mer om klimatförändringarna måste vi istället mäta havet.

Den stigande havsnivån påverkar inte bara kustsamhällen genom att minska landmassan, utan indikerar också den bredare frågan om stigande globala temperaturer. Det betyder att havsnivåhöjningen är av stor betydelse för NASA, som inte bara ser ut mot andra världar, utan också övervakar jorden från rymden. En ny satellit för övervakning av havsnivån, Sentinel-6 Michael Freilich, var lanserades i november 2020

och blev det officiella referensuppdraget för havsnivåhöjning i mars i år, efter att ha tagit över från sin föregångare, Jason-3.

Med Sentinel-6 som tar på sig sin nya roll, och en tvilling efterträdare, Sentinel-6b, som väntar i kulisserna för att ta upp stafettpinnen när det behövs, är vi redo för de kommande 10 åren av havsnivåmätningar. Du kan till och med själv se var Sentinel-6 befinner sig över jorden just nu, genom att spåra den med hjälp av NASAs Eyes-webbapplikation.

Vi pratade med Josh Willis från NASA: s Jet Propulsion Laboratory, projektforskare för både Sentinel-6 och Jason-3, om hur man mäter havsnivåhöjningen från rymden.

Vårt styrkort för klimatförändringar

Havsnivåhöjningen är inte bara viktig för att förstå de föränderliga haven. Det är också ett av de mest värdefulla verktygen vi har för att mäta klimatförändringarna som helhet. "På sätt och vis är det ett resultatkort," sa Willis. "Det är vårt styrkort för hur vi gör med klimatet."

Det beror på att mycket av den stigande medeltemperaturen på planeten som helhet återspeglas av nivån på haven. Det finns tre stora mänskligt orsakade faktorer som bidrar till havsnivåhöjningen: smältningen av inlandsisarna på Grönland och Antarktis, smältningen av små glaciärer på andra håll i världen och uppvärmningen av havet som får det att bygga ut. Dessa faktorer bidrar ungefär en tredjedel vardera till den totala ökningen, på grund av att mer vatten tillsätts hav när glaciärer och inlandsisar smälter, samt utvidgningen av vattnet på grund av ökande globala temperaturer. Eftersom haven täcker så mycket av jorden, slutar de med att absorbera mycket av den överskottsvärme som genereras av mänsklig aktivitet.

"Jag tänker på havsnivåhöjning som den tydligaste indikatorn på mänsklig inblandning i klimatet," sa Willis. "Haven täcker två tredjedelar av planetens yta, de absorberar 90% av denna extra värme som är hela orsaken till klimatförändringarna, och de absorberar också allt vatten som smälter från glaciärerna och isen lakan. Så de räknar verkligen allt i termer av hur vi förändrar klimatet på det mest övergripande sättet."

Och problemet är inte bara att havsnivån stiger. Det är att ökningstakten också ökar.

"Hastighetshastigheten för haven är inte stabil. Det ökar faktiskt, säger Willis. "I början av 1900-talet steg haven med en hastighet av cirka två millimeter per år. På 90- eller 2000-talet var det mer som tre. Och nu har det gått fyra och fem millimeter per år. Så ökningstakten har mer än fördubblats under de senaste hundra åren. Och det kommer att fortsätta att öka snabbare och snabbare."

30 år av kontinuerliga mätningar

En del av anledningen till att havsnivåhöjningsdata är så värdefulla är att de bildar ett långsiktigt rekord som har samlats in sedan 1990-talet. De första globala mätningarna av haven från rymden började när TOPEX/Poseidon-uppdraget lanserades 1992, följt av de tre Jason-satelliterna och sedan den första Sentinel.

För att hålla konsekventa data som kan jämföras över åren, har alla uppdragen i den här serien placerats i samma omloppsbana så att de får samma utsikt över haven.

Närhelst en ny satellit tog över från sin föregångare, skulle de två flyga nära varandra i månader. Detta möjliggjorde en mycket noggrann kalibrering för att säkerställa att data kunde spåras konsekvent över de fem satelliterna hittills.

"Det är verkligen en fantastisk prestation när det gäller vårt klimatvetenskapliga rekord," sa Willis.

Ytterligare 10 år av mätningar

"Vi har det här otroliga rekordet som är 30 år långt nu, och Sentinel-6 byggdes för att förlänga det rekordet med 10 år till," sa Willis. För att möjliggöra dessa extra 10 år av observationer byggde NASA inte en utan två satelliter, båda i huvudsak identiska, så att när den nyligen lanserade Sentinel-6 Michael Freilich tar slut på sin livstid 2025, kan dess tvilling Sentinel-6b ta över. Det kommer att möjliggöra totalt 40 år av konsekventa register över havsnivåhöjningar.

"Det är första gången vi har bestämt oss som ett samhälle att göra detta på lång sikt - att åta oss att göra mätningar av havsnivåhöjningar från rymden, inte bara en satellit i taget," sa han. "Havsnivåerna kommer inte att sluta stiga någon gång snart, vi kommer inte att kunna sluta mäta det, så vi måste ha denna kontinuitet av mätningar över uppdrag."

Om det verkar som om dessa satelliter har en relativt kort förväntad livslängd jämfört med andra satellituppdrag som kan pågå i årtionden, är det relaterat till den höjd där de verkar. När de första havsnivåhöjningssatelliterna lanserades hade vi inte så bra teknik för bestämma positionen för dessa satelliter – och positioneringsdata är viktigt för att få exakt havsnivå avläsningar. För att möjliggöra detta lanserades satelliterna i en mycket hög omloppsbana på 1 300 kilometer, där det finns väldigt lite atmosfär och därför väldigt lite skydd mot strålning.

Forskare vill fortsätta skicka satelliter till samma bana för att säkerställa kontinuerliga mätningar, men det innebär att man accepterar att dessa satelliter kommer att drabbas av strålning och bara kommer att hålla i relativt få år varje.

Instrument på satelliten

Noggrannheten i dess avläsningar är det som gör att Sentinel-6-satelliten är det internationellt erkända verktyget för att mäta havsnivåhöjningen. Forskare från alla olika områden och olika länder har kommit överens om att mätningarna från Sentinel-6 och dess föregångare skulle användas som standardmått för havsnivåhöjning.

Instrumenten på Sentinel-6 är relativt enkla, åtminstone konceptuellt. Det finns radarn, som skickar radiovågor ner till ytan för att mäta avståndet mellan satelliten och havet, positioneringssystemen som ger information om satellitens höjd så att denna kan subtraheras från havsnivåmätningarna, och sedan ytterligare ett viktigt instrument som kallas en radiometer.

Radiometern mäter mängden vatten i atmosfären genom att titta på havets ljusstyrka. Vattnet i atmosfären påverkar radiovågorna som radarn skickar, så radiometern krävs för att korrigera för detta och säkerställa en hög noggrannhet för havsnivåmätningar.

Dessa tre instrument, tillsammans med de konsekventa banorna, är det som gör Sentinel-6 till den mest exakta metoden vi har för att mäta havsnivåhöjningen – och det är därför den är tillräckligt exakt för att vara den internationella referensen uppdrag.

De föränderliga haven

Den mer komplicerade delen av att mäta havsnivåhöjningen är hur man tolkar data som samlas in av satelliten. Haven är inte platt, så satelliten beräknar i genomsnitt avläsningar över ett område på flera kvadratkilometer för att möjliggöra detta.

Men det finns andra faktorer som påverkar havsnivån också. Detta inkluderar vädret eftersom förändringar i atmosfärstrycket gör att havet kan svälla upp när trycket är lågt, tidvattnet och havsströmmar, och till och med gravitationen av undervattensberg, som gör att toppar dyker upp i havsytan ovanför dem. Forskarna som använder data från Sentinel-6 för att mäta havsnivåhöjningen måste ta hänsyn till dessa andra faktorer genom att överväga data om atmosfäriska förhållanden och kartor över havets gravitationsfält.

Alla dessa andra effekter kan dock ge användbar data för andra forskningsområden. Genom att titta på hur mycket ett medelvärde har beräknats över ett visst område kan forskare uppskatta hur stora vågorna är och hur starka vindarna är. De kan se hur strömmar rör sig genom havet i realtid, eftersom strömmar får havet att luta så ena sidan av strömmen är högre än den andra. De kan också spåra skräp eller olja när det spills i havet.

Satelliten fortsätter också att samla in data när den passerar över land och dessa data kan användas för att övervaka sjöar och floder.

All data som samlas in av satelliten är allmänt tillgänglig, och den används av forskare över hela världen från en mängd olika områden. Du kan hitta uppgifterna på JPL hemsida eller på NASAs webbplats för jorddata.

Hotet om klimatförändringar

Med projekt som Sentinel-6 kan vi direkt se hur vårt klimat förändras på grund av våra aktiviteter som människor. Vi kan se att inte bara havsnivåerna stiger, utan att de stiger snabbare och snabbare, och det finns inget som tyder på att denna förändring kommer att sakta ner eller stoppa någon gång snart. Det finns en existentiell terror i det.

"När vi tittar på vad som händer med planeten är det skrämmande," sa Willis. "Vi har redan drivit vårt klimat till okänt territorium. Och det blir mer och mer ovant för varje år."

Men han misströstar inte över mänsklighetens framtid. Snarare betonar han att vår planets framtid ligger i våra egna händer.

"Det finns fortfarande utrymme för hopp, för det här är något vi kan göra något åt," sa Willis. "Vi vet vad problemet är och vi vet i stort sett hur vi ska lösa det. Det är inte som att det finns en gigantisk meteor som är på väg mot jorden som kommer att utplåna oss alla. Vi kan faktiskt göra något åt ​​klimatförändringarna, vi måste bara kalla fram viljan.”

Redaktörens rekommendationer

• Kan nyckeln till att leva i rymden vara... ett bra belysningssystem?
• Dessa nya NASA elbilar kommer att driva astronauter en bit på vägen till månen (typ)
• Se denna SpaceX Falcon 9-booster tar sin 12:e resa till rymden
• Jakten på beboeliga månar i solsystemet värms upp
• SpaceX markerar den 200:e raketlandningen med perfekt touchdown