Satellitter afslører et nyt syn på Jordens vand fra rummet

I 1889, nær den afsidesliggende grænseby Ebudo, Ny mexico, John Wesley Powell, den berømte opdagelsesrejsende af Grand Canyon og anden leder af U.S. Geological Survey, startede en stille videnskabelig revolution.

Han vidste, at vand ville blive stadig vigtigere for det amerikanske vesten, men ingen havde udviklet en måde at finde ud af, hvor meget der var til rådighed. Powell oprettede en feltlejr med 14 elever, tre instruktører, to arbejdere og en kok, og fik dem til opgave at udvikle den første måler til at måle, hvor meget vand der strømmer gennem en amerikansk flod.

Med deres succes, det var muligt at vide, hvor meget vand der kunne tages ud af Rio Grande til kunstvanding, uden at det blev ufarligt eller, værre, tørrer helt ud.

Mere end et århundrede senere, USGS driver mere end 10, 000 vandløbsmålere rundt om i landet. De ligner bemærkelsesværdigt den første Ebudo-måler. Andre lande driver flere tusinde.

I dag, hydrologer som mig bruger strømmåler-netværket, sammen med tilsvarende store netværk af sensorer, der måler nedbør, jordfugtighed, snedybde og andre dele af vandets kredsløb. Disse værktøjer hjælper med at vise, hvor meget vand der er tilgængeligt for mennesker og økosystemer, og hvordan det vand bevæger sig fra sted til sted.

Flytter til rummet

I de sidste 30 år, hydrologi er løbet ind i et klæbrigt problem. Der er simpelthen ikke nok sensorer til de spørgsmål, hydrologer ønsker at besvare.

Prøve, for eksempel, at måle, hvor meget sne der er lagret i en bjergkæde som Californiens Sierra Nevada. Dette vand er en kritisk ressource for staten. Sierra Nevada indeholder omkring 130 "snepuder", der måler mængden af ​​vand, der er lagret i sneen direkte over dem. Men området målt af sensorerne er noget i retning af 2 milliontedele af en procent af det samlede areal af Sierra.

Hvis du prøver at finde ud af det samlede vand, der er lagret i Sierras, du løber ind i en metodisk mur. Der er ingen god måde at komme direkte dertil.

Denne form for problemer dukker op over hele hydrologien, fra sne til jordfugtighed og floder til reservoirer. Selvom det er en mulighed at sætte flere sensorer ud, de er dyre at vedligeholde, og det er umuligt at udsætte nok til at måle en hel bjergkæde. En bedre løsning ville være at måle store områder på én gang.

Startede for omkring to årtier siden, en lille gruppe videnskabsmænd foreslog en ny løsning:Hvad hvis de kunne måle vandets kredsløb fra rummet?

University of Saskatchewans Jay Famiglietti var en af ​​disse forskere. Meget af Famigliettis arbejde har brugt Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) missionen, et par satellitter opsendt i 2002. Satellitterne, kaldet Tom og Jerry, jage hinanden rundt på planeten og bruge små variationer i afstanden mellem dem til at måle ændringer i Jordens tyngdekraft. Mange af disse variationer kommer fra vand, der bevæger sig rundt. GRACE sporer ændringer i den samlede vandlagring på tværs af grundvandet, overfladen og atmosfæren.

"[GRACE] tegner et overbevisende billede, fordi det giver os mulighed for at se det menneskelige fingeraftryk om tilgængelighed af vand, og klimaændringernes indvirkning på vandtilgængeligheden, "Famiglietti fortalte mig. Noget af hans arbejde med GRACE har vist store tab af grundvand i det nordlige Indien, Mellemøsten og andre steder, der kan være sårbare over for fremtidig vandmangel. Det originale par GRACE-satellitter gik offline i 2017, men et nyt par blev lanceret året efter.

En guldalder

Andre satellitter designet til at måle specifikke dele af vandkredsløbet kom online på omtrent samme tidspunkt som GRACE, selvom de havde nogle begrænsninger.

IceSAT, aktiv fra 2003 til 2009, målte den skiftende form af gletsjere og iskapper, men dens lasere havde nogle tekniske problemer, der begrænsede dens levetid. The Tropical Rainfall Measurement Mission leverede data om nedbør på lave breddegrader, men det fungerede dårligt for sne og områder med kraftige tordenvejr. Forskere kom op med forbedrede måder at bruge data fra passive mikrobølgesensorer på, hvoraf nogle allerede var i kredsløb, at vurdere jordfugtighed, men de leverede kun data i relativt grove skalaer.

Fra 2014, en ny generation af satellitter har tilbudt forbedringer. Den globale nedbørsmission, en konstellation af satellitter, er væsentligt forbedret på TRMM.IceSAT-2, som NASA lancerede i 2018, har meget bedre lasere end sin forløber. Dedikerede jordfugtighedsmissioner lanceret af European Space Agency og NASA tilbyder mere finjusterede målinger, end tidligere sensorer kunne.

Jeg er en del af et internationalt team, der vil lancere det første projekt dedikeret til at måle Jordens lettest tilgængelige vandressourcer:floder og søer. Surface Water and Ocean Topography (SWOT) missionen er en aktiv sensor, der, starter i 2021, vil sende radarimpulser ned til Jorden og måle, hvor lang tid det tager at vende tilbage til satellitten. Gennem finjusterede algoritmer, SWOT vil måle ændringer i mængden af ​​vand lagret i millioner af søer og reservoirer rundt om i verden og estimere, fra rummet, mængden af ​​vand, der strømmer gennem de fleste af verdens største floder.

Med alle disse satellitter, hydrologer vil være i stand til at spore mange individuelle dele af vandets kredsløb ved hjælp af observationer fra rummet. Den næste udfordring bliver at sammensætte alle disse målinger på en sammenhængende måde. Hver satellit har sine egne idiosynkrasier. Forskere arbejder på at integrere alle deres tidligere og nuværende data med computersimuleringer af Jordens vandkredsløb.

Sammen, disse observationer kan hjælpe med bedre at forudsige tørke, spore oversvømmelser og informere verden om, hvordan klimaændringer ændrer adgangen til vandressourcer. For eksempel, en række satellitter viste, at verdens indlandsbassiner, allerede blandt de tørreste steder på jorden, mest bemærkelsesværdigt Aralsøen i Centralasien, mister hurtigt vand.

Rumorganisationer designer også nye missioner til at dække dele af vandets kredsløb, som nuværende satellitter endnu ikke kan observere tilstrækkeligt, ligesom snepakken i Sierra Nevada. Estimating evaporation also remains a real challenge. Current methods produce very different global patterns, and the path toward new solutions for reliably estimating evaporation from space remains uncertain.

Satellites have gone from curios on the sidelines of hydrology to central players in understanding the global water cycle. When John Wesley Powell sent 20-odd members of the new USGS to the banks of the Rio Grande, he likely couldn't have imagined that, 130 years later, water scientists like me would be following in his footsteps using satellites orbiting hundreds of miles overhead.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.