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La première mission satellite GRACE a utilisé une paire de satellites jumeaux, le premier se trouvant à environ 220 km devant l'autre. La variation de la distance entre les deux engins spatiaux est mesurée en continu à l'aide d'un radar avec une précision d'environ 1 μm par seconde. C’est comme mesurer la distance entre Lausanne et Milan avec une précision équivalente à l’épaisseur d’un globule rouge humain. Ces variations du comportement orbital des deux satellites sont ensuite utilisées pour déduire les changements de masse à la surface de la Terre.
Après avoir retravaillé les données (il faut enlever les changements de masses qui sont liés à l’atmosphère ou aux marées par exemple), on obtient des images permettant de monitorer les changements de ressources en eau sur l’ensemble de la terre. On peut ainsi surveiller les changements qui ont touché l’ensemble du cycle de l’eau, y compris l’eau souterraine, puisqu’on mesure la masse. Cette méthode ne permet toutefois de détecter que les changements de masse importants se produisant sur une grande échelle spatiale (c’est-à-dire sur au moins 3 à 4 fois la superficie de la Suisse)
Par exemple, on peut voir sur l’image ci-dessous (Fig. 3) de novembre 2012 la fonte de la glace dans la région du Groenland, la diminution des eaux souterraines utilisées pour l’agriculture ou l’industrie dans le Nord-Ouest de l’Inde, et aussi la réduction du niveau de la mer Caspienne. On voit également la variabilité naturelle liée aux saisons, avec par exemple un fort gain de masse au terme de la mousson en Afrique de l’Ouest.
Les changements des stocks d’eau (observés par les satellites) ont donc plusieurs causes, c’est un mélange des impacts du changement climatique, de la gestion des ressources en eau et de la variabilité naturelle.