Leder efter ferskvand i alle de sneklædte steder

Snefnug, der dækker bjerge eller dvæler under trækroner, er en vital ferskvandsressource for over en milliard mennesker rundt om i verden. For at hjælpe med at bestemme, hvor meget ferskvand der er lagret i sne, et hold af NASA-finansierede forskere er ved at skabe et computerbaseret værktøj, der simulerer den bedste måde at opdage sne og måle dens vandindhold fra rummet.

Sneens vandindhold, eller snevandsækvivalent (SWE) er en "hellig gral for mange hydrologer, " sagde Bart Forman, projektets hovedefterforsker og en professor ved University of Maryland, College Park. Når sneen smelter, den efterfølgende pøl af vand er dens SWE.

I de vestlige amerikanske stater, sne er hovedkilden til drikkevand, og vand fra sne er en væsentlig bidragyder til vandkraftproduktion og landbrug.

Nogle ændringer i snefaldsmønstre er indikatorer for klimaændringer. For eksempel, varmere temperaturer får vand til at falde som regn i stedet for sne. Som resultat, nogle bjerge er ikke i stand til at holde vand i form af snepakning, som de plejede, hvilket betyder, at regn oversvømmer floder og oversvømmelser er mere intense. Når oversvømmelsessæsonen er forbi, tørker kan være mere alvorlige.

Formans nye tilgang følger bestræbelser fra NASA på at studere SWE fra satellitter, flyvemaskiner og marken. Moderat-opløsning Imaging Spectroradiometer (MODIS) er et instrument ombord på to satellitter, der fanger daglige billeder af Jorden. MODIS kan identificere snedækket land og is på søer og store floder. Global Precipitation Measurement mission (GPM), en international konstellation af satellitter, kan observere regn og faldende sne over hele kloden hver anden til tredje time.

Ud over rumbaserede observationer, NASA kører en kampagne tættere på hjemmet kaldet SnowEX. Kampagnen er et femårigt program, der omfatter luftbårne observationer og derefter feltarbejde for at afsløre, hvad satellitindsatsen ikke gør. SnowEX giver forskere mulighed for at undersøge komplekse terræner, som kan være svære at karakterisere fra rummet. Næste vinters kampagne vil samarbejde med Airborne Snow Observatory, som måler snedybde og sneegenskaber.

Vigtigheden af ​​sne og dens vand

"Vi ville elske at have et globalt kort over SWE, " sagde Edward Kim, en forsker ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. Imidlertid, der er ingen enkelt teknik, der kan måle SWE globalt, fordi sneegenskaber varierer afhængigt af, hvor den lander, sagde Kim. Den danner ofte et dybere lag i skove, hvor det er i læ for solen, men holder en lavere profil i tundraen og prærien, hvor den er udsat for vind og højere temperaturer.

Sne ændrer sin form, når den falder til overfladen og fortsætter derefter med at ændre sig på sit hvilested. Dens form kan bestemme, hvilken sensor der er i stand til at observere den, Kim sagde, tilføjer endnu en kompleksitet til estimeret SWE.

Forman og hans teams nye værktøj vil bestemme den mest effektive kombination af satellitbaserede sensorer til at producere flest data. "Værktøjet vil vise os, hvordan man træffer intelligente valg om, hvordan man kombinerer sensorer, " sagde Kim.

En fortælling om forskellige sensorer

Værktøjet evaluerer tre forskellige typer af jord-kredsende sensorer:radar, radiometer, og lidar.

Holdet så på radar- og radiometeroplysninger fra eksisterende sensorer, såsom Advanced Microwave Scanning Radiometer 2 (AMSR2) radiometer. Sensoren blev lanceret som et partnerskab ledet af Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) for at fange mikrobølgeemissioner fra Jordens overflade og atmosfære. Det har til formål at identificere snedække, havoverfladetemperaturer, jordfugtighed og andre faktorer, der er afgørende for at forstå Jordens klima.

For radarobservationer, holdet inkluderede data fra European Space Agency (ESA) Copernicus Sentinel 1A og 1B satellitter, som overvåger land- og havoverflader.

Ud over at inkludere radar- og radiometersensorer, som i øjeblikket overvåger sne fra rummet, det nye værktøjs simulering inkluderer lidar; lidar er fløjet ombord på fly for at måle sne over bestemte områder. For eksempel, SnowEx-kampagnen og NASA's Airborne Snow Observatory bruger lidar til at bestemme snedybde og SWE. "Vi kan hjælpe med at undersøge spørgsmålet, hvad hvis vi havde en snecentreret observationssatellitmission i rummet?" sagde Forman.

Af supercomputere og satellitter

"For at gøre alt dette, du skal bruge supercomputere, " sagde Forman. Specifikt, Discover Supercomputer hos Goddard og Deepthought2 High-Performance Computing-klyngen ved University of Maryland.

Når dataene fra de forskellige sensorer er i simuleringsværktøjet, holdet er i stand til at køre eksperimenter, der inkluderer forskellige scenarier, såsom at sætte en satellit i en bane i forhold til en anden, eller at have et satellitkig på et bredt skår i forhold til et smalt skår af Jorden. Med denne pakke af eksperimenter, de kan sammenligne, hvor godt en bestemt kombination klarer sig sammenlignet med et benchmark-scenarie, sagde Forman.

Som hovedregel, med flere satellitter i kredsløb, videnskabsmænd ville have data af højere kvalitet, sagde Forman. Imidlertid, "Vi kan spørge, hvad er den marginale gevinst, hvis vi havde et radiometer mere?" sagde Forman.

Det nye snesansende simuleringsværktøj vil hjælpe med at skabe en rumbaseret sneobservationsstrategi for bedre at forstå denne vitale ferskvandsressource. Simulatoren vil blive brugt til at "fortsætte med at stille spørgsmål om, hvad der skal være det næste, og hvordan vi skal planlægge om 20 år eller mere, " sagde Forman.

Dette nye snesimuleringsværktøj er finansieret af NASA's Earth Science Technology Office.