如果Rev. 内维尔·马斯克林复活，这位18世纪英国皇家天文学家或许能轻易理解NASA GRACE任务背后的原理。马斯克林自己在1772年向皇家学会的演讲中就提出了一个非常相似的实验。“如果引力如同艾萨克·牛顿爵士所设想的那样，不仅存在于宇宙的宏大天体之间，也存在于构成这些天体的微小粒子之间……那么，毋庸置疑，每一座山丘都会通过其引力，改变其附近重体的引力方向……”。
这正是GRACE（重力恢复与气候实验）所探测到的。大约每94分钟，两颗双子星卫星以310英里的高空绕地球一周，用30天的时间覆盖地球的整个表面，然后周而复始，探测局部引力的变化。GRACE绘制出地球表面局部引力强度的变化图，揭示了山脉和海沟，以及地下流域和其他隐藏的质量集中区域。作为NASA与DLR（德国航空航天中心）的联合项目，GRACE超越了熟悉的海洋、大陆和云层，以一种全新的视角展现我们的星球——一个起伏不平、引力起伏的地球。
除其他事项外，GRACE可能发现了南极冰层深处的一个陨石坑，该陨石坑可能标志着一次比导致恐龙灭绝的撞击事件更严重的小行星撞击；测量了引发2004年海啸的海底位移；并量化了亚马逊河和刚果河流域地下水量的变化。“这确实是一种全新的遥感方式，”NASA喷气推进实验室的项目科学家迈克尔·沃特金斯（Michael Watkins）说。“就像雷达或摄影术首次发明时一样——你开始意识到它可以应用于各种意想不到的领域。我们仍在发现它们。”
地球引力场可以通过卫星测量这个概念可以追溯到太空时代的黎明。1958年，地面控制人员追踪美国第一颗卫星Explorer 1时，注意到其轨道忠实地描绘了地球的赤道隆起（由地球自转产生的离心力造成）。到了20世纪60年代，火箭科学家们意识到，引力的较小、局部的变化可能产生更深远、意想不到的影响。例如，如果没有考虑到山脉或山谷，携带核弹头的导弹可能会偏离航线。
如果地球是一个完美的球体，密度均匀，并覆盖着均匀深度的海洋，那么大地水准面（geoid）——这个地质学家用来指代位于平均海平面高度的假想平面——也将是一个完美的球体。由于大地水准面在所有地方都垂直于引力作用，因此引力总是直接指向地球的精确中心。但地球远非完美或均匀，这意味着引力并不总是垂直向下；例如，山脉可能会将其稍微向左偏转。
理解地球引力场的细微差别在许多方面都很有用。科学家们可以深入了解地球的结构、构成物质以及地壳的厚薄。地下高密度岩石或海底山脉完全看不见，但它们也会使大地水准面偏离完美的平面。即使在海洋完全平静时，它也不是平坦的。测量显示，海洋的某些部分比平均水平低390英尺，而另一些部分则高出300英尺。
当科学家们开始认识到大地水准面地图的潜在用处时，工程师们也意识到，测量这些变化的最好方法是使用一对卫星，而不是一颗。一颗轨道器可以很好地随引力场起伏——但监测人员需要通过不断地发射和接收无线电波来测量地面的起伏。这将需要一个庞大的地面站网络。然而，两颗相距足够远的卫星将经历不同的引力效应，因此只需测量它们之间的距离即可。当领先的卫星接近一个平均质量较大的区域时，由于额外的引力作用，它会稍微加速。不久之后，第二颗卫星也随之加速。然后，当较高质量区域落后时，每颗卫星都会受到一点阻碍——同样，先是领先的卫星，然后是尾随的卫星。通过在两者之间发送微波，可以计算出这种交错的加速度，从而推断出地球表面引力变化的幅度。
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不幸的是，两颗卫星之间距离的变化如此之小，以至于在20世纪60年代初期，用当时任何可用的技术几乎都不可能探测到。1976年，NASA发射了一颗名为LAGEOS（激光测地卫星）的卫星，它以一种粗略的方式开始解决这个问题。它根本不携带任何仪器。本质上，LAGEOS是一个直径两英尺的闪亮黄铜高尔夫球；通过从地球表面的不同地点向卫星发射激光束，地质学家可以精确测量地球上相距遥远的点之间的距离。例如，他们可以看到由于板块构造，大陆每年逐渐分离。
20世纪90年代初，TOPEX（海洋环流地形实验）/Poseidon卫星，一项美法联合任务，发射升空，配备了雷达高度计来测量海面高度。“他们所做的主要是，”沃特金斯说，“假设大地水准面本身没有变化，而是观察海面随时间的 ist。”但有时大地水准面确实会变化。LAGEOS除了测量大陆漂移外，还探测到加拿大和北欧引力场的缓慢变化，因为地壳在最后一个冰河时代结束10000年后，仍在从压制它的巨大冰川的重量中反弹。它还揭示了由于世界各地雨季和旱季期间的自然储水和耗水导致的局部引力年度变化。
射向LAGEOS的激光束不够灵敏，无法精确到小于一厘米的轨道变化，而且太不精确，无法分辨出引力更细微的差异。为此，需要一项双卫星任务。终于，在20世纪90年代中期，实现这一目标的技术出现了两种形式。第一种是微波发射器和接收器，足够小、高效、可靠，可以安装在小型航天器上，用于测量卫星之间的距离。第二种是全球定位系统（GPS）。“如果我向你发送一个信号，”沃特金斯说，“并且我想知道飞行时间，那么我们的时钟必须完美同步是至关重要的。”通过随时与当前可见的任何GPS卫星进行通信，一对引力卫星可以使用其单一时钟，而不是试图同步自己的时钟。
随着技术最终到位，沃特金斯与得克萨斯大学奥斯汀分校的航空航天工程师拜伦·塔普利（Byron Tapley）以及其他几位科学家和工程师一起，提出了GRACE任务。NASA与德国航天局合作，于2002年3月将双GRACE卫星送入轨道。从那时起，它们一直在极地轨道上围绕地球飞行，一颗卫星比另一颗领先约137英里。从太空观察者看来，它们会一遍又一遍地描绘出相同的圆圈，但由于地球在它们下方不断旋转，这些勇敢的卫星每30天绕过表面上的每一个区域。
它们的仪器测量的是两颗卫星之间距离的变化，而不是距离本身，从而测量引力引起的加速度。它们通过干涉测量来实现这一点——观察微波束如何相互干涉。一颗卫星发射连续的微波流，第二颗卫星接收，然后两者都被发送到地面。发射和接收的波束被叠加，产生一个干涉图案，该图案取决于波束的相位有多接近完美——也就是说，波峰和波谷的对齐程度。卫星之间距离的微小差异——从而导致地球表面引力变化——会在干涉图案上产生显著差异。如果卫星以每秒低至150纳米的速度一起移动或分开，GRACE科学家就能看到。
这并非故事的全部。尽管310英里高在技术上属于外太空，但仍有一些空气分子漂浮着——对于绕行轨道低得多的航天飞机或空间站上的宇航员来说，这丝毫不会造成影响，但足以明显减慢GRACE卫星的速度。一团空气分子可能会愚弄观察者，使其认为下方有东西——也许是冰川——因此每颗卫星都有一个所谓的“证明质量”漂浮在内部的一个房间里，与卫星本身没有连接。这个证明质量本身也在轨道上运行，所以当一颗卫星由于引力变化而加速或减速时，质量也随之变化。但当卫星由于空气阻力而减速时，内部的证明质量则毫不知情地继续以其原始速度移动。它不会撞击卫星内壁，因为板载电极使其不会这样做——但灵敏的电子设备会跟踪这种差异，以便工程师可以将其从真实信号中减去。
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GRACE的数据对全球任何科学家开放。“这，”拜伦·塔普利说，“促使了许多非传统领域的科学家利用GRACE的结果，做出了以前不可能做到的事情。”例如，2005年1月，俄亥俄州立大学地球物理学家拉尔夫·冯·弗雷斯（Ralph von Frese）及其同事发现，东极地冰盖下约一英里深的岩石中存在异常密度物质的集中。这种质量集中通常发生在巨大的太空撞击轰击地壳时。当月球反弹时，它会将较高密度的地幔物质带到地表并保持在那里。冯·弗雷斯将GRACE数据与冰封基岩的雷达图像进行比较，发现它完美地位于一个约300英里宽的环形内——这正是你对一个直径约30英里的撞击器所期望的。“它就这么跳了出来，”他说。
那样大的小行星直径大约是6500万年前导致恐龙灭绝的物体直径的四到五倍。这个陨石坑要古老得多，可能可以追溯到大约2.5亿年前，当时某个东西——也许是来自外太空的弹体——消灭了地球上大多数物种，包括大多数爬行动物、海绵、珊瑚、海星、蛤蜊、海蝎子和鱼类，从而为恐龙的繁盛清除了进化舞台。那是历史上最大的物种大灭绝，得益于GRACE，古生物学家和进化生物学家现在对它是如何发生的有了一些了解。
但GRACE最大的贡献在于它大约每个月都会重新测量大地水准面。这使得地质学家能够对2004年12月26日苏门答腊-安达曼地震（引发了可怕的印度洋海啸）发生的海底重塑情况进行前后评估。“当陆地上发生大地震时，”沃特金斯说，“你可以出去查看变化。有了GRACE，我们现在也可以看到数千英尺水下的变化。”
卫星还可以以前所未有的方式揭示水的移动。“这很酷，因为水可以进入地下，可以在海洋中移动，可以从冰变成液体并径流，但它无法向我们隐藏它的质量，”沃特金斯说。他举了个例子，想象一个巨大的水冰球。“它可以是冰盖、含水层或一块海洋。GRACE的灵敏度足以探测到一个厚度约一厘米、跨度400公里（半英寸、250英里）的冰球。”他说，地球上所有的水都可以分成这样的冰球，GRACE会记录它们每30天是如何移动的。
去年3月，科罗拉多大学博尔德分校的地球物理学家伊莎贝拉·维利科尼亚（Isabella Velicogna）和约翰·瓦尔（John Wahr）在《科学快报》上发表了一篇论文，利用GRACE数据表明，覆盖南极洲的冰盖每年平均减少36立方英里的冰——这令人惊讶，因为许多气候模型预测冰会变厚，因为全球气温升高会导致更多的蒸发和降水。“模型很难重现冰川的物理过程，这表明模型不如我们期望的那样好，”维利科尼亚说。
维利科尼亚及其同事还测量了格陵兰冰盖的显著损失，在2002年至2005年间每年高达38立方英里的冰——这更令人担忧，因为淡水流入咸水北大西洋理论上可能会关闭维持欧洲相对温暖的洋流系统。（德克萨斯大学的一个独立团队发布了基于GRACE数据推断的数字，显示格陵兰在2002年至2005年间每年损失高达57立方英里的冰；NASA不久计划发布数据来协调这两项研究。）“这是一个警钟，”维利科尼亚说，“因为有大量的冰川融水可以流入海洋。这两个冰盖都在大量损失质量，这会影响海平面。如果海平面上升，将影响许多沿海地区。”
去年12月，美国地球物理联合会秋季会议的整个会议专门讨论了全球各地巨型流域的水进出运动。演讲者发表了八篇论文，主题从中国三峡大坝的水文影响到气候变化对西伯利亚河流系统的影响。所有新的发现完全基于GRACE的数据。值得注意的发现包括麻省理工学院研究人员的报告，称阿拉斯加在2003年至2005年间每年平均损失10.5立方英里的冰。
海洋学家、地质学家和气候学家正在争相根据涌入的GRACE数据更新他们对地球的模型。但当几年后新一代升级版的GRACE问世时，这些模型将显得相当原始。装备了比微波型更灵敏的激光干涉仪，GRACE科学家将能够获得更好的分辨率，从而发现更细微的引力变化和更精美的细节，或者用沃特金斯的话来说，“更小的冰球”。内维尔·马斯克林从未成功地实现他自己的实验，但有了GRACE，他的想法已经得到了远远超出他 wildest 想象的验证。
