Forskare har genomfört de första flygningarna i en NASA-ledd fältkampanj som är inriktad på en av de största luckorna i forskarnas förståelse av jordens vattenresurser:snö.
NASA använder rymdens utsiktspunkt för att studera alla aspekter av jorden som ett sammankopplat system. Men det finns fortfarande betydande hinder för att exakt mäta hur mycket vatten som lagras över planetens snötäckta regioner. Mängden vatten i snö spelar en stor roll för vattentillgången för dricksvatten, jordbruk och vattenkraft.
Ange SnowEx, en NASA-ledd flerårig forskningskampanj för att förbättra fjärranalysmätningar av hur mycket snö som finns på marken vid varje given tidpunkt och hur mycket vatten som finns i den snön. SnowEx sponsras av Terrestrial Hydrology Program vid NASA:s huvudkontor i Washington, D.C., och förvaltas av NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. Det första året av mark- och luftkampanjen äger rum i februari i västra Colorado.
"Det här är den mest omfattande kampanjen vi någonsin har gjort på snö, sa Edward Kim, en fjärranalysforskare vid NASA Goddard och SnowEx-projektets forskare. "En armé på nästan 100 forskare från universitet och byråer över hela USA, Europa och Kanada deltar. Vårt mål är att hitta och förfina de bästa snömätningsteknikerna och hur de kan fungera tillsammans."
Forskare vet att de kommer att behöva flera sensorer för att mäta vattenhalten i snö. "Inget instrument är perfekt, " sa Charles Gatebe från NASA Goddard, SnowEx biträdande projektforskare och seniorforskare vid Universities Space Research Association. "Ett av våra största problem är att upptäcka snö genom träd. Vi kommer att arbeta nära vårt markteam för att prova nya tekniker för att se om vi kan ta reda på hur man gör det korrekt."
Varför snö?
Mer än en sjättedel av världens befolkning är beroende av säsongsbunden snö för vatten. I västra USA, nästan tre fjärdedelar av det årliga flödet som ger vattenförsörjningen anländer när våren och sommaren smälter från fjällsnöpackningarna. Just nu, förutsägelser om strömflöde kan variera kraftigt på grund av begränsade markmätplatser. Detta är en av anledningarna till att forskare och resursförvaltare är intresserade av en heltäckande bild från rymden av vad de kallar snövattenekvivalent - mängden flytande vatten som finns i snötäcket. Forskare använder snövattenekvivalenter för att uppskatta mängden vatten som kommer att smälta in i bergsbäckar, floder och reservoarer.
Snö påverkar och påverkas också av klimatet. Forskare har upptäckt förändringar i snömängd och tidpunkt för snösmältning som följer andra förändringar orsakade av jordens uppvärmning klimat. Även om satelliter inte kan mäta snövattenekvivalenter exakt över alla snöiga landskap, satelliter har övervakat omfattningen av säsongsbetonade snötäckta områden i årtionden. Sedan 1967, Vårsnötäcket på norra halvklotet har minskat med cirka 1 miljon kvadratkilometer. Förlust av snötäcke leder till att jorden absorberar mer solljus, påskynda planetens uppvärmning.
I luften, på marken
De instrument och tekniker som utvecklats i kampanjer som SnowEx kan en dag resultera i ett snöobservatörande rymduppdrag. "Vi kommer också att hitta ett bättre sätt att optimera användningen av befintliga satelliter för att göra mätningar, sade Jared Entin, programledare för Terrestrial Hydrology Program vid NASA:s högkvarter.
Fem flygplan med totalt 10 olika sensorer ingår i SnowEx-kampanjen. Från en operationsbas vid Peterson Air Force Base, Colorado Springs, SnowEx kommer att distribuera ett P-3 Orion-flygplan som drivs av Scientific Development Squadron ONE (VXS-1), stationerad vid Naval Air Station Patuxent River, Maryland. NASA-jets på hög höjd kommer att flyga från NASA:s Johnson Space Center i Houston, och NASA:s Armstrong Flight Research Center i Palmdale, Kalifornien. En King Air och en Twin Otter kommer att flyga ut från Grand Junction, Colorado.
Planen kommer att bära en passiv och fyra aktiva mikrovågssensorer som är bra på att mäta snövattenekvivalenter i torr snö, men är mindre optimala för att mäta snö i skogar eller lätt snötäcke; en termisk infraröd kamera och en fjärrtermometer (KT-15) för mätning av yttemperatur; laserinstrument som är bra på att mäta snödjup och snövattenekvivalent genom träd; en bildspektrometer som mäter snöalbedo – mängden solljus som reflekteras och absorberas av snö, som styr snösmältningshastigheten och tidpunkten för dess avrinning. King Air bär Airborne Snow Observatory från NASA:s Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Kalifornien. ASO är det första fjärranalyssystemet som någonsin mäter snödjup, snövattenekvivalent och snöalbedo över hela bergsbassänger, och har unikt kvantifierat snövattenekvivalenter över bergsregioner sedan 2013.
Fältdelen av kampanjen är baserad i Grand Mesa och senator Beck Basin. Forskare kommer att använda mätnings- och provtagningsprocedurer som gör det möjligt för teamet att validera de fjärravkända mätningarna som förvärvats av flera sensorer på de olika flygplanen. Traditionell och högteknologisk utrustning används för markkampanjen, inklusive snögropar och fjärravkänningsinstrument hissade 40 fot i luften på bomtruckar.
"Den stora utmaningen för markkampanjen är att samla in högkvalitativa fältmätningar och samtidigt hålla alla säkra och friska i dessa tuffa miljöer, sa Kelly Elder, forskningshydrolog vid U.S. Forest Service's Rocky Mountain Research Station, Fort Collins, Colorado, som leder den övergripande markkampanjen.
Forskare kommer att arbeta över 10, 000 fot i potentiellt blåsiga och iskalla förhållanden upp till 10 timmar om dagen. De behöver snöglasögon eller solglasögon för att skydda sina ögon. Hypotermi är ett mycket verkligt hot, så forskare bär speciella kläder utformade för att transportera bort svett och hålla dem torra. Lagen använder snöskor, skidor och snöskotrar för att komma åt markmätplatserna på Grand Mesa och senator Beck Basin.
Studieområdet för senator Beck Research Basin ligger nära utloppen av Rio Grande River Basin. "Dess forskningsområden är de första stora bergssystemen medvind i sydvästra öknen och Coloradoplatån, vilket gör det till en idealisk plats att studera effekterna av damm på snösmältning, sade Hans-Peter Marshall, från Boise State University, som leder markverksamheten i senator Beck Research Basin. "Grand Mesa valdes för dess planhet och utbud av skogsförhållanden, sa Chris Hiemstra, en forskningsfysiker vid U.S. Army Corps of Engineers, och ledningen för Grand Mesa markoperationer. Mångfalden av terräng och miljöer gör markplatserna till bra modeller för att utveckla globala mätningar av snö.
Markutrustning installerades i september 2016, innan snön började falla. En markplats nära en campingplats kommer att ha specialiserad utrustning som är för stor för att flytta runt. Denna insats för observationsplats i lokal skala leds av Ludovic Brucker från NASA Goddard. Team om 50 forskare gör markmätningar, roterar in och ut ur fältet varje vecka under en treveckorsperiod.
Data som förvärvats från SnowEx-kampanjen kommer att lagras i National Snow and Ice Data Center i Boulder, Colorado, och kommer att vara tillgänglig för alla utan kostnad, som är fallet med all NASA-data. Efter fältarbetet, SnowEx-forskare kommer att analysera data och rekommendera NASA hur man ska gå vidare under de närmaste åren. "Denna kampanj kommer att generera de bästa idéerna från det globala samhället av snöexperter, " sa Kim. Senator Beck Basin leds av Center for Snow and Avalanche Studies CSAS, en ideell organisation som är värd för forskningsstudier om snöpackning vid bassängen.
