NASAs luftbårne kampagne fanger afdriften af ​​snevand

Det er den mest vidunderlige tid på året - det tidspunkt, hvor NASAs SnowEx-kampagne rammer himmelen og jorden på verdens sneklædte steder, måling af sneegenskaber for at forstå, hvor meget vand der er indeholdt i hver vinters snefald.

Sne er en vital kilde til drikkevand, landbrug og elektrisk kraft i det vestlige USA og andre steder rundt om i verden. For at vide, hvor meget vand der vil være tilgængeligt det følgende forår, vandressourceforvaltere og hydrologer skal vide, hvor sneen er faldet, hvor meget der er, og hvordan ændres karakteristika, når det smelter. Måling af snevandækvivalent, eller SWE, fortæller dem, hvor meget vand der er indeholdt i snepakken.

NASA har i øjeblikket ingen global satellitmission til at spore og studere SWE. SnowEx's luftbårne målinger, jordmålinger og computermodellering baner vejen for fremtidig udvikling af en global snesatellitmission. Her er nogle ting, de vil holde øje med i 2020-kampagnen.

I luften …

Sne er udfordrende at måle, fordi dens karakteristika ændrer sig afhængigt af hvilket terræn den falder på, hvor dybt det er, og om det smelter. Intet værktøj eller måling kan måle alle typer sne hele tiden, sagde holdet.

"Forskningshullerne i sne-fjernmåling kan grupperes efter sneklimaklasser - tundrasne, sne i skovene, sne i maritime områder – og hvordan sne udvikler sig over tid, " sagde Carrie Vuyovich, en forsker ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland og SnowEx 2020s nuværende stedfortrædende projektforsker. "Forskellige sneegenskaber påvirker målingerne forskelligt."

Sporing af sne-vandsækvivalent (SWE) på tværs af sæsonen hjælper hydrologer og vandressourceforvaltere med at vide, hvilket vand der vil være tilgængeligt, når det smelter om foråret, samt planlægge for mulige oversvømmelser eller tørke.

"Det er ikke så meget snedybden - det er det mål, de fleste nok kender, " sagde Ed Kim, en forsker ved Goddard og SnowEx' tidligere projektforsker. "Du ved, om vinteren, hvis det sner og du skal skovle din indkørsel, du vil vide, hvor mange centimeter sne du skal skovle. Men vi er ude efter vandækvivalenten:Hvor meget vand repræsenterer sneen, og hvad det betyder for oversvømmelser og tørke."

SnowEx luftbårne kampagne vil flyve radar og lidar (lysdetektion og rækkevidde) for at måle snedybden, mikrobølgeradar og radiometre til at måle SWE, optiske kameraer til at fotografere overfladen, infrarøde radiometre til måling af overfladetemperatur, og hyperspektrale billedapparater til at dokumentere snedække og komposition. Nogle af disse instrumenter fungerer bedre end andre på tværs af forskellige typer terræn, vegetation og sneforhold, og at se, hvor og hvornår hver især klarer sig bedst, vil hjælpe sneforskere med at beslutte, hvordan forskellige kombinationer af instrumenter ville give nyttige målinger til en potentiel satellitmission.

SnowEx 2020 vil først teste instrumenterne nær Grand Mesa, Colorado, som omfatter både flad sne og skov. Dette års kampagne vil også omfatte en tidsserie af flyvninger på tværs af Colorado, Utah, Idaho og Californien, når sneen smelter om foråret, dokumentere ændringer mellem lokationer og årstider. Holdet begyndte at flyve i december 2019 og slutter i maj 2020.

"Den sidste kampagne var et øjebliksbillede i tiden, " sagde Vuyovich. "Vi så ikke mange ændringer i sneforholdene i løbet af tre ugers perioden i 2017, og nogle teknikker, vi er interesserede i, bruger en ændringsdetektionsmetode."

Tidsseriekampagnen vil teste og validere en SWE-målemetode ved hjælp af L-bånds interferometrisk syntetisk aperturradar (InSAR), målt med NASA Jet Propulsion Laboratorys UAVSAR instrument.

"UAVSAR-instrumentet er meget pålideligt - det flyves ofte til ikke-sneapplikationer, såsom deformation af jordoverfladen efter jordskælv eller vulkaner, " sagde HP Marshall, en lektor ved Boise State University, Idaho og forsker ved U.S. Army Cold Regions Research and Engineering Lab, og SnowEx 2020's projektforsker. "I vores foreløbige test i 2017, vi fik nogle ret lovende resultater, der korrelerer med snedybde og SWE, men der var ikke den store forandring, så vi kunne ikke teste over en lang række forhold. I 2020, vi vil lave InSAR-målinger ugentligt til hver anden uge under et tidsserieeksperiment, fra snefrie forhold til overgang til den våde forårssnepakke."

SnowEx vil også teste Snow Water Equivalent Synthetic Aperture Radar and Radiometer (SWESARR). SWESARR blev udviklet hos NASA Goddard, og dens kombination af aktive og passive mikrobølgemålinger gør det muligt at måle karakteristika for sneen såvel som jorden nedenunder, som kan påvirke mikrobølgesignalet.

SnowEx inkluderer partnere fra universiteter, private institutioner og andre statslige agenturer, der bringer yderligere ekspertise og instrumenter – såsom National Oceanic and Atmospheric Administrations luftbårne gammainstrument og University of Alabamas FMCW-radar. Disse instrumenter kan ikke bruges i rummet, men de vil hjælpe snevidenskabssamfundet med at fremme deres forståelse af sne på tværs af forskellige forhold.

Holdet vil også sammenligne deres data med NASAs ICESat-2 og European Space Agencys Sentinel 1A og 1B satellitter, og højopløselige optiske billeder fra NASA WorldView og private billeddannende virksomheder.

… og på jorden

For at vide, om deres algoritmer er nøjagtige, holdet indsamler også data på jorden. SnowEx 2020's jordhold vil måle snedybden, massefylde, akkumuleringslag, temperatur, fugtighed og snekornstørrelse - størrelsen af ​​en typisk partikel. Ved at måle disse egenskaber kan de se, hvordan forskellige placeringer og egenskaber på jorden påvirker de luftbårne data.

Dette år, computermodellering i realtid vil også blive integreret i kampagnen.

"Vores snemodelleringsgruppe har arbejdet på at forstå, hvor vi ser den største usikkerhed i modelsimuleringer af SWE, " sagde Vuyovich. Her, "usikkerhed" refererer til rækken af ​​estimater fra en række simuleringer. Holdet samlede et tolv-mands ensemble af forskellige modeller og atmosfæriske data for at simulere ni års snesæsoner i hele Nordamerika, udpege områder, hvor usikkerheden var størst.

"Evaluering af dataene i realtid vil hjælpe os med at forstå, hvad der driver usikkerheden." sagde Vuyovich. "Næste, vi begynder at se på, hvordan assimilering af forskellige fjernmålingsobservationer kan hjælpe med at forbedre vores estimater."