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Die erste GRACE-Mission (2002 – 2017) bestand aus zwei Zwillingssatelliten, die die Erde in einem Abstand von 220 km umkreisten. Aus den Abstandsänderungen zwischen den beiden Satelliten können die Massenveränderungen an der Erdoberfläche abgeleitet werden. Die Veränderung des Abstandes zwischen den beiden Satelliten wurde kontinuierlich mit einer Genauigkeit von etwa 1 μm pro Sekunde mittels Mikrowellenradar gemessen. Das wäre in etwa so, wie wenn man die Entfernung zwischen Lausanne und Mailand mit einer Genauigkeit misst, die der Dicke eines menschlichen roten Blutkörperchens entspricht. In der darauffolgenden GRACE-FO-Mission wurde diese Genauigkeit dank einem neuen sog. Laser-Interferometer sogar um den Faktor 200 erhöht.
Nach der Aufnahme der Daten müssen diese zunächst aufbereitet werden, da Massenänderungen, die durch die Atmosphäre oder die Gezeiten hervorgerufen werden, abgezogen werden müssen. Anschliessen erhält man Datensätze, die es ermöglichen, die Veränderungen der Wasserressourcen auf der gesamten Erde zu erfassen. Auf diese Weise können kurz- und langfristige Veränderungen im gesamten Wasserkreislaufs einschliesslich des Grundwassers überwacht werden, da lediglich die Massenänderung gemessen wird. Mit dieser Methode lassen sich jedoch nur große Massenveränderungen erkennen, die auf einer großen räumlichen Skala stattfinden (d. h. auf mindestens dem 3- bis 4-fachen der Fläche der Schweiz).
Abbildung 3 zeigt die Abweichung der Wasserressourcen im November 2012. Die Eisschmelze in Grönland, das Absinken des Grundwasserspiegels in Nordwestindien und das Absinken des Meeresspiegels im Kaspischen Meer sind deutlich zu erkennen. Auch jahreszeitliche Schwankungen werden sichtbar, wie zum Beispiel eine monsun-bedingte grosse Zunahme der Wasserspeicher in Westafrika.
Diese von Satelliten beobachteten Veränderungen der Wasserressourcen haben also mehrere Ursachen: der Klimawandel sowie die Bewirtschaftung der Wasserressourcen und natürliche Schwankungen können die lokale Wasserverfügbarkeit stark beeinflussen.