NASA Snow-kampagne afslutter 2020-undersøgelsen

Efterhånden som forårs- og sommertemperaturerne vender tilbage til den nordlige halvkugle, vinterens sne smelter, frigiver dyrebart ferskvand i Jordens vandløb, floder og oceaner. Denne årlige ændring giver flydende vand til at drikke, landbrug og vandkraft for mere end en milliard mennesker rundt om i verden. I fremtiden, NASA planlægger at bruge en satellitmission til at måle, hvor meget vand verdens vintersnepakke indeholder, og for at gøre det, de har brug for at vide, hvilken kombination af instrumenter og teknikker, der effektivt kan måle denne information fra rummet.

Går sammen for at måle snevand

Snevandsækvivalent, eller SWE (udtales "swee"), er hvor meget flydende vand der er i en mængde sne, når den smelter, og udledes af dybde og tæthed.

"Dybder er nemme at måle, Alligevel varierer dybderne ofte meget fra det ene sted til det andet, og det kræver mange målinger forskellige steder for at få et godt skøn, " sagde Chris Hiemstra, en forsker i Fairbanks, Alaska, med U.S. Army Corps of Engineers' Cold Regions Research and Engineering Laboratory (CRREL).

"Tæthed er mere udfordrende, fordi den ændrer sig med snealderen og lokale forhold. Som et eksempel, frisk koldt snefald er let og luftigt, med kun 5-10% vand i flager kan du bevæge dig med et let åndedrag. Under varmere snepakningsforhold på jorden, skybårne snefnug smelter sammen og skifter til større bundne runde korn med højere tæthed. Med vind, sne er blæst, knækket og pakket ind i drivere, men selv da, det er kun 40-50% vand. Variation i dybder og tætheder gør SWE udfordrende at kortlægge."

Våd sne, der falder ved temperaturer omkring frysepunktet (32 grader), har typisk en tæthed på omkring 8-10 tommer sne svarende til 1 tomme SWE. Med andre ord, det ville tage omkring 8-10 tommer våd sne ved frostgrader at få 1 tomme smeltet vand. I modsætning, sne, der falder ved koldere temperaturer, omkring -4 grader, er langt mindre tæt:For at få 1 tomme smeltet vand fra sne under disse forhold, du kan bruge op til 20 tommer af det.

Nuværende satellitmissioner måler nemt, hvor meget af landet, der er dækket af sne. Men ingen enkelt satellit i kredsløb i øjeblikket indeholder et instrument eller en samling af instrumenter designet til at måle SWE og/eller de snekarakteristika, der kan bruges til at beregne det.

Til SnowEx 2020's intensive driftsperiode, en udmattende tre ugers dataindsamling på ét sted, videnskabsmænd fra hele verden rejste til Grand Mesa, Colorado. Det er verdens største mesa, eller fladt bjerg, og klokken 11, 000 fod over havets overflade, vintrene er lange, og sneen kan være dyb. Dens høje flade overflade og variation af landdækning - fra vidt åbne enge til tætte skove - gør den perfekt til at teste instrumenter på tværs af forskellige forhold.

Gennem bidende kulde, blændende solskin, kraftigt snefald og kraftig vind, det jordbaserede hold gravede, prøvet og genfyldt mere end 150 snegrave:Huller i bilstørrelse i sneen, der strækker sig helt til jorden, giver dem mulighed for at tage mål af grubevæggene og se, hvordan sneegenskaber varierer fra top til bund. Andre teammedlemmer brugte sonder til at måle næsten 38, 000 snedybder i løbet af de tre uger, mens du står på ski eller snesko i et område på størrelse med en fodboldbane omkring pitten.

NASAs SnowEx-kampagne er en flerårig indsats, der bruger en række forskellige teknikker til at studere sneegenskaber, og teamet afsluttede deres anden feltkampagne i marts 2020. SnowEx lærer værdifuld information om, hvordan sneegenskaber ændrer sig efter terræn og over tid, og de undersøger også værktøjerne, datasæt, og teknikker, NASA skal bruge for at prøve sne fra rummet.

"Vinterens SnowEx-kampagne indsamlede værdifulde data til vurdering af flere sne-rmote sensing-teknikker. Det ville ikke have været muligt uden det hårde arbejde og støtte fra alle deltagere og partnere, der hjalp, " sagde Carrie Vuyovich, SnowEx 2020 stedfortrædende projektforsker, ledende videnskabsmand for NASA's Terrestrial Hydrology Snow-program og en fysisk videnskabsmand ved NASA's Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland.

"Vi kan se, og endda høre, hvordan sneens karakteristika ændrer sig fra top til bund, " sagde Hiemstra. "Den nyeste sne på toppen er luftig og stille. Herunder vinden har pakket det i tætte lag, der skraber på skovlen. Sneen mod bunden er løs og har skarpe spidse kanter. Når du graver i det, iskolde punkter snapper og ringer, når de falder mod skovlen."

Pibebesætningerne målte også snevandindhold, temperatur, reflektans og partikelstørrelse. Forskere brugte håndholdte instrumenter til at måle snehårdhed, mikrostruktur og dybde omkring gruberne. "En udfordring med disse punktobservationer er sammenligningen med luftbårne og rumbårne observationer, som har fodspor i størrelsesordenen titusinder til tusinder af meter, " sagde HP Marshall, en lektor ved Boise State University, Idaho, en forsker med CRREL og SnowEx 2020's projektforsker.

For at forstå variationen i sneegenskaber inden for disse større fjernmålingsfodspor, holdet kørte snescootere i præcise spiraler for at indsamle aktive og passive radarmålinger af snelag, dybde og vandindhold, med mere kontinuerlig prøveudtagning.

"Når man ser på de data, der er kortlagt på tværs af mesaen, er det utroligt, hvor meget område vi dækkede. Der er interessante rumlige mønstre i snedybdedataene, hvor den dybe sne dannes lige langs kanten af ​​skovområder, " sagde Vuyovich. "Der er mindre snedybde blandt træerne, og det er gennemsnitligt ude i det fri. Denne snedybde-heterogenitet skyldes for det meste vindomfordeling og viser virkelig, hvorfor vi har brug for så mange observationer for at validere fjernmålingsobservationerne og teste vores modeller."

Mens jordholdene arbejdede i sneen, luftbårne hold fløj præcisionsflyvelinjer over hovedet med instrumentkombinationer, der foretog lignende målinger:Radar og lidar (lysdetektion og afstand) for snedybde, mikrobølgeradar og radiometre til SWE, optiske kameraer til at fotografere overfladen, infrarøde radiometre til at måle overfladetemperatur og hyperspektrale billedapparater til at dokumentere snedække og sammensætning. Et af de syv instrumenter blev udviklet og bygget hos NASA Goddard:The Snow Water Equivalent Synthetic Aperture Radar and Radiometer, eller SWESARR. Endnu en radar, den ubeboede Aerial Vehicle Synthetic Aperture Radar, eller UAVSAR, kom fra NASAs Jet Propulsion Laboratory.

Holdene udnyttede også overkørsler fra flere NASA-satellitter, herunder ICESat-2 og NASA/European Space Agency Sentinel-mission, at indsamle yderligere data for at sammenligne. Tilbage på jorden, Vuyovich og hendes team kørte en række computermodeller for at sammenligne med indsamlede data senere, og se, hvordan de sammenlignes og kan kombineres til fremtidige analyser.

"Perioden på Grand Mesa gik så godt, " sagde Marshall. "Hele 44-personers feltbesætning arbejdede utroligt hårdt, og især, mange af de yngre elever gik virkelig op. Jeg er begejstret for vores kommende generation af sneforskere - de vil gøre store ting."

En DHC-6 Twin Otter sidder på landingsbanen under overskyet himmel

At koordinere både nye og modne instrumenter på tværs af en række forhold og steder var udfordrende, sagde Marshall.

"Til en sæsonbestemt sneluftbåren kampagne, SnowEx 2020 er unik ved, at vi med succes fløj så mange instrumenter over den samme placering, koordineret med omfattende feltobservationer, " sagde han. "Det bliver virkelig spændende at bruge disse datasæt sammen. Det vil tage os et stykke vej hen imod en bedre forståelse af, hvordan man udvikler et globalt SWE-produkt, der kombinerer data fra flere satellitter, feltdata og modellering."

Når sneen smelter og bliver vådere om foråret, det bliver mere udfordrende at måle. Fra december 2019 til marts 2020, mindre lokale hold tog ugentlige jordmålinger og luftundersøgelser hver anden måned på 13 steder, der spænder over forskellige sneklimaer, i fem forskellige stater rundt om i det vestlige USA.

Selvom kampagnen sluttede tidligt på grund af coronavirus-pandemien, holdets brede udvalg af prøvetagningssteder gav dem nok data til at validere og analysere, sagde Vuyovich og Marshall. Under hver overflyvning, hold på hvert sted målte og indtastede data i National Snow and Ice Data Centers system designet til SnowEx, og begge videnskabsmænd gennemførte regelmæssige check-in-opkald via videokonferencer.

"Der var helt sikkert udfordringer ved at fjernadministrere en så stor kampagne, men det var en stor lærerig oplevelse, " sagde Vuyovich. "Denne slags kampagne er værdifuld, så at vide, hvad der virkede og ikke virkede, har hjulpet os med at tale om fremtidige år, og hvordan vi kan strukturere tingene anderledes."

The team's next step is to process and freely distribute the millions of data points they collected at Grand Mesa and during the time series, and they expect to begin finding results later in the year, said Marshall. "This large dataset will be used to help design a future spaceborne approach to mapping SWE globally, using a combination of ground observations, modeller, and satellite measurements. The SnowEx 2020 data will provide information to allow us to explore tradeoffs in cost, complexity and accuracy."