De översta 2 tum av matjord på alla jordens landmassor innehåller en oändlig del av planetens vatten - mindre än en tusendels procent. Men på grund av dess position vid gränssnittet mellan land och atmosfär, den lilla mängden spelar en avgörande roll i allt från jordbruk till väder och klimat, och även spridningen av sjukdomar.

Beteendet och dynamiken hos denna fuktreservoar har varit mycket svår att kvantifiera och analysera, dock, eftersom mätningar har varit långsamma och mödosamma att göra.

Den situationen förändrades med lanseringen 2015 av en NASA-satellit kallad SMAP (Soil Moisture Active Passive), designad för att ge globalt omfattande och frekventa mätningar av fukten i det översta jordlagret. SMAP:s första år med observationsdata har nu analyserats och ger några betydande överraskningar som kommer att hjälpa till vid modellering av klimatet, väderprognoser, och övervakning av jordbruket runt om i världen.

Dessa nya resultat rapporteras i tidskriften Naturgeovetenskap , i en artikel av SMAP Science Team-ledaren Dara Entekhabi, nyligen utexaminerad MIT Kaighin McColl PhD '16, och fyra andra. Entekhabi är professor vid Ralph M. Parsons Laboratory for Environmental Science and Engineering vid MIT:s avdelning för civil- och miljöteknik.

SMAP-observationerna ger en oöverträffad detaljnivå, världsomspännande information om mängden vatten i de översta 2 tum (5 centimeter) av jorden, samlas in globalt varannan till var tredje dag. Entekhabi säger att detta är viktigt eftersom detta tunna skikt är en viktig del av det globala vattnets kretslopp över kontinenterna, och också en nyckelfaktor i de globala energi- och kolkretsloppen.

Nederbörd på land, och avdunstningen av den fukten från marken, "överföringar stora mängder energi" mellan kontinenterna och atmosfären, Entekhabi säger, och jordens klimat skulle vara drastiskt annorlunda utan detta element. haven, innehåller 97 procent av jordens vatten, ger en viktig roll i att lagra och frigöra värme, men över land tillhandahålls den rollen av fukten i det översta lagret av jorden, om än genom olika mekanismer. Den fukten "är en liten, liten del av vattenbudgeten, men den sitter vid en mycket kritisk zon vid landytan, och spelar en oproportionerligt kritisk roll i vattnets kretslopp, " säger han. "Det spelar en viktig roll för att dämpa klimatet, på säsongs- och årstider."

Förstå dessa cykler bättre, tack vare de nya uppgifterna, kan hjälpa till att göra väderprognoser mer exakta över längre tidsskalor, vilket kan bli en viktig välsignelse för jordbruket. Flera federala myndigheter har redan börjat använda SMAP-data, Entekhabi säger, till exempel, för att göra prognoser av torka och översvämningar mer exakta.

"Satelliten tillhandahåller en exceptionell kvalitet på ytjordfuktighetsinformation som gör denna analys möjlig, " säger han. Satellitens primära uppdrag på tre år är ungefär halvvägs över, han säger, men teamet arbetar på att ansöka om ett utökat uppdrag som kan pågå så mycket som ett decennium.

En av de stora överraskningarna från de nya uppgifterna är att denna toppnivå av jord bevarar ett "minne" för väderfel, mer än vad som förutspåtts från teorin och tidigare, glesare mått. Minne hänvisar till ihållande effekter från ovanligt höga eller låga mängder nederbörd. Tvärtemot de flesta forskares förväntningar, det visar sig att dessa effekter kvarstår i några dagar, snarare än bara några timmar. I genomsnitt, ungefär en sjundedel av mängden regn som faller finns fortfarande i det översta jordlagret tre dagar efter att det faller – och denna ihärdighet är störst i de torraste regionerna.

Data visar också en signifikant återkopplingseffekt som kan förstärka effekterna av både torka och översvämningar, säger Entekhabi. När fukt avdunstar från våt jord, det kyler jorden under processen, men när jorden blir för torr att kylningen minskar, vilket kan leda till varmare väder och värmeböljor som förlänger och fördjupar torkan. Sådana effekter "hade spekulerats, " han säger, "men hade inte observerats direkt."

Det pågående SMAP-uppdraget ger också utbildningsmöjligheter som hjälper till att verifiera och kalibrera satellitdata. Med minimal utrustning, studenter kan delta i praktiska lektioner i datainsamling, med hjälp av mätmetoder som anses vara guldstandarden. Till exempel, de kan samla ett jordprov i en fast volym som en tonfiskburk, och väg den före och efter torkning. Skillnaden mellan de två vikterna ger ett exakt mått på jordens fukthalt i den volymen, vilket kan jämföras med satellitens fuktmätning.

Till och med unga studenter "kan utföra "guldstandard"-mätningar, och allt som behövs är en köksvåg och en ugn, " säger Entekhabi. "Men det är väldigt arbetskrävande. Så vi har samarbetat med skolor runt om i världen för att göra dessa mätningar."