NASAs SnowEx udfordrer sanseteknikkerne... indtil de går i stykker

Et NASA-ledet hold vil starte en ambitiøs luftbåren kampagne for at afgøre, hvilken kombination af sensorer, der ville fungere bedst til at indsamle globale snevandsmålinger fra rummet - afgørende for at forstå og administrere verdens ferskvandsressourcer. Forskere ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland leverer teknologi til missionen.

Den første vinterkampagne i den flerårige indsats, kaldet SnowEx, begynder den 6. februar sagde Ed Kim, SnowEx-projektets videnskabsmand ved NASA Goddard. "SnowEx handler om at udfordre sanseteknikkerne og algoritmerne... indtil de går i stykker, " sagde han. "Først da vil vi lære, hvornår og hvor hver teknik virker eller ikke virker, og selvfølgelig, hvorfor. Det er nøglen til at finde et optimalt mix til en fremtidig snesatellitmission."

Snevandsækvivalent, Det søde sted

Selvom satellitter har givet videnskabsmænd et halvt århundredes snedækkekort, viser omfanget af sne over landskabet, de har vist sig upålidelige til at hjælpe videnskabsmænd med at bestemme sne-vandsækvivalenten, eller SWE, hvilket er den mængde vand, som snepakken indeholder. I øjeblikket, SWE kan måles i marken eller beregnes ved hjælp af en kombination af rumbaserede observationer og modellering.

For at beregne SWE – information, der er afgørende for vandressourceforvaltere, for ikke at sige noget om de mere end en milliard mennesker verden over, der er afhængige af snepakker til deres vand – forskere bruger sofistikerede computeralgoritmer og modeller, der tager højde for snedybde og tæthed. Imidlertid, mere præcis, fjernregistrerede målinger er nødvendige som input for at forbedre modelresultaterne.

Fjernmålingsmålingerne kommer fra luftbårne eller rumbårne sensorer, som enten modtager stråling passivt, eller aktivt udsender stråling rettet mod jorden. Strålingen interagerer derefter med målet og modtages efterfølgende tilbage ved sensoren. Imidlertid, skove og kompleks topografi kan forvirre og komplicere fjernregistrerede signaler.

Følgelig, flere sensorer vil blive fløjet for at bestemme, hvilken kombination af sensorer der fungerer bedst under forskellige sneforhold. Viden vil blive anvendt til at formulere en rumbaseret mission for at måle sne og andre træk ved kryosfæren globalt. Det kunne også bruges til at bestemme, hvordan målinger fra missioner designet til andre formål kan hjælpe med at evaluere globale SWE.

Med hensyn til måling af SWE, hver sensor tilbyder både muligheder og begrænsninger. Aktive og passive mikrobølgesensorer er nyttige til måling af SWE, uanset skyer eller mørke, så længe sneen ikke er våd, sagde Kim. Nogle kan se lavvandet sne, mens andre mister følsomhed under forhold med dyb sne med høj SWE. Lidar, på den anden side, mætter ikke til dyb sne, er ikke effektiv til lavvandet sne, og kan ikke se gennem skyer. Alle sensorerne har problemer i tætte skovområder, selvom lidar og andre viser meget lovende.

"Vi har aldrig før haft mulighed for at kombinere disse specifikke sensorer i én kampagne, " forklarede Dorothy Hall, en forsker fra Michigan State University og tidligere Goddard-videnskabsmand, der er på SnowEx-arrangørteamet. "Vi er nødt til at evaluere, hvordan hver sensor yder til måling af snepakningsegenskaber, og hvordan de kan bruges sammen, at måle SWE nøjagtigt i forskellige landdække."

Bestemmelse af brudpunktet

For at bestemme effektiviteten af ​​hver fjernmålingsteknik, holdet vil begynde at flyve flere luftbårne sensorer i februar over Grand Mesa, Colorado. Dette sted blev udvalgt af NASA-snesamfundet på et møde, der blev afholdt på University of Washington i Seattle sidste forår. En tydelig skovdækningsgradient ved Grand Mesa gør det til et alsidigt sted til måling af sne i forskellige skovtætheder. "Det var en Guldlok-historie, " sagde Kim. "Vi ønskede et sted, hvor der ikke var for mange eller for få træer."

Lidar kan bruges til at måle snedybde og SWE, hvis pre-sne topografi og snepackningstæthed er kendt. Dermed, der er behov for en basisundersøgelse af området, før sneen samler sig. I september, Jet Propulsion Laboratory's Airborne Snow Observatory fløj med en lidar for at bestemme specifikke terrænforhold før sne. Ligeledes, visse radarteknikker drager fordel af 'ingen-sne'-basislinjedata. Holdet vil flyve Den Europæiske Rumorganisations radar, SnowSAR, i sommeren 2017 for at opnå en 'no-sne' baseline.

NASA Goddard Instruments

Når kampagnen starter i februar, pakken af ​​SnowEx-instrumenter vil omfatte to Goddard-bidragede instrumenter:det passive mikrobølge Airborne Earth Science Microwave Imaging Radiometer, eller AESMIR, og den tovejsreflekterende funktion Cloud Absorption Radiometer, eller BIL. To termisk-infrarøde sensorer og et videokamera vil også blive fløjet.

Den ubeboede luftfartøjs radar med syntetisk blænde, eller UAVSAR, og den luftbårne gletsjer og landisoverfladetopografi Interferometer-A, eller GLISTIN-A, vil også blive fløjet for at udføre målinger med to eksperimentelle radarteknikker. UAVSAR vil forsøge at mærke SWE ved at trænge igennem hele snepakken, mens GLISTIN-A vil forsøge at fornemme snedybden ved hjælp af lidar-lignende teknikker. I modsætning, ESA's SnowSAR anvender den traditionelle radartilgang, som måler mængden af ​​spredning, der opstår i snepakken.

Ground Truth Dataindsamling

Et vigtigt træk ved kampagnen er et robust jordsandhedsprogram designet til at validere sensordata, sagde Kim. Deltagelse fra føderale partnere, såsom U.S. Forest Service og NOAA, samt fra internationale partnere fra Canada, Norge, og andre lande, er nøglen til denne missions succes. Kelly ældste, en sneforsker hos Forest Service i Fort Collins, Colorado, leder denne del af SnowEx-kampagnen.

Den store vægt, imidlertid, forbliver på selve luftbårne sensorer, sagde Charles Gatebe, hvem er SnowEx stedfortrædende projektforsker og hovedefterforsker af Cloud Absorption Radiometer, der vil flyve under kampagnen. "Vi har brug for en satellitmission, der kan måle sne globalt, " sagde han. "Vi leder efter værktøjerne."