År 1889, nära den avlägsna gränsstaden Ebudo, New Mexico, John Wesley Powell, den berömda utforskaren av Grand Canyon och andra chef för U.S. Geological Survey, startade en tyst vetenskaplig revolution.

Han visste att vatten skulle bli allt viktigare för den amerikanska västern, men ingen hade utvecklat ett sätt att ta reda på hur mycket som fanns tillgängligt. Powell startade ett fältläger med 14 elever, tre instruktörer, två arbetare och en kock, och gav dem i uppdrag att utveckla den första mätaren för att mäta hur mycket vatten som rinner genom en amerikansk flod.

Med sin framgång, det var möjligt att veta hur mycket vatten som kunde tas ut ur Rio Grande för bevattning utan att det blev ofarbart eller, värre, torkar ut helt.

Mer än ett sekel senare, USGS har mer än 10, 000 strömmätare runt om i landet. De är anmärkningsvärt lika den första Ebudo-mätaren. Andra länder har tusentals fler.

I dag, hydrologer som jag använder strömmätarnätverket, tillsammans med liknande stora nätverk av sensorer som mäter nederbörd, markfuktighet, snödjup och andra delar av vattnets kretslopp. Dessa verktyg hjälper till att visa hur mycket vatten som är tillgängligt för människor och ekosystem och hur det vattnet rör sig från plats till plats.

Flytta till rymden

Under de senaste 30 åren, hydrologi har stött på ett klibbigt problem. Det finns helt enkelt inte tillräckligt med sensorer för de frågor som hydrologerna vill svara på.

Prova, till exempel, för att mäta hur mycket snö som lagras i en bergskedja som Kaliforniens Sierra Nevada. Detta vatten är en kritisk resurs för staten. Sierra Nevada innehåller cirka 130 "snökuddar" som mäter mängden vatten som lagras i snön direkt ovanför dem. Men den yta som mäts av sensorerna är ungefär 2 miljondelar av en procent av Sierrans totala yta.

Om du försöker räkna ut det totala vattnet som lagras i Sierras, du stöter på en metodisk vägg. Det finns inget bra sätt att ta sig dit direkt.

Den här typen av problem dyker upp över hela hydrologin, från snö till markfuktighet och floder till reservoarer. Även om det är ett alternativ att sätta ut fler sensorer, de är dyra att underhålla, och det är omöjligt att lägga ut tillräckligt för att mäta en hel bergskedja. Ett bättre alternativ vore att mäta stora ytor samtidigt.

Med början för ungefär två decennier sedan, en liten grupp forskare föreslog en ny lösning:Tänk om de kunde mäta vattencykeln från rymden?

Jay Famiglietti från University of Saskatchewan var en av dessa forskare. Mycket av Famigliettis arbete har använt uppdraget Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE), ett par satelliter som lanserades 2002. Satelliterna, smeknamnet Tom och Jerry, jaga varandra runt planeten och använd små variationer i avståndet mellan dem för att mäta förändringar i jordens gravitation. Många av dessa variationer kommer från vatten som rör sig. GRACE spårar förändringar i total vattenlagring över grundvatten, ytan och atmosfären.

"[GRACE] målar upp en övertygande bild, eftersom det tillåter oss att se det mänskliga fingeravtrycket på vattentillgång, och klimatförändringarnas inverkan på vattentillgången, "Famiglietti berättade för mig. En del av hans arbete med GRACE har visat på djupa förluster av grundvatten i norra Indien, Mellanöstern och andra platser som kan vara sårbara för framtida vattenbrist. Det ursprungliga paret GRACE-satelliter gick offline 2017, men ett nytt par lanserades följande år.

En guldålder

Andra satelliter designade för att mäta specifika delar av vattnets kretslopp kom online ungefär samtidigt som GRACE, även om de hade vissa begränsningar.

IceSAT, aktiv från 2003 till 2009, mätte den förändrade formen på glaciärer och inlandsisar, men dess lasrar hade några tekniska problem som begränsade dess livslängd. The Tropical Rainfall Measurement Mission gav data om nederbörd på låga breddgrader, men det fungerade dåligt för snö och områden med kraftiga åskväder. Forskare kom på förbättrade sätt att använda data från passiva mikrovågssensorer, av vilka några redan var i omloppsbana, för att uppskatta markfuktigheten, men de tillhandahöll data endast i relativt grova skalor.

Från och med 2014, en ny generation satelliter har erbjudit förbättringar. Global Precipitation Mission, en konstellation av satelliter, har förbättrats avsevärt på TRMM.IceSAT-2, som NASA lanserade 2018, har mycket bättre lasrar än sin föregångare. Dedikerade markfuktuppdrag lanserade av European Space Agency och NASA erbjuder mer finjusterade mätningar än tidigare sensorer kunde.

Jag är en del av ett internationellt team som kommer att lansera det första projektet dedikerat till att mäta jordens mest lättillgängliga vattenresurser:floder och sjöar. Uppdraget Surface Water and Ocean Topography (SWOT) är en aktiv sensor som, från och med 2021, kommer att skicka radarpulser ner till jorden och mäta hur lång tid det tar att återvända till satelliten. Genom finjusterade algoritmer, SWOT kommer att mäta förändringar i mängden vatten som lagras i miljontals sjöar och reservoarer runt om i världen och uppskatta, från rymden, mängden vatten som rinner genom de flesta av världens stora floder.

Med alla dessa satelliter, hydrologer kommer att kunna spåra många enskilda delar av vattnets kretslopp med hjälp av observationer från rymden. Nästa utmaning blir att sätta ihop alla dessa mätningar på ett sammanhängande sätt. Varje satellit har sina egna idiosynkrasier. Forskare arbetar med att integrera alla sina tidigare och nuvarande data med datorsimuleringar av jordens vattencykel.

Tillsammans, dessa observationer kan hjälpa till att bättre förutsäga torka, spåra översvämningar och informera världen om hur klimatförändringarna förändrar tillgången till vattenresurser. Till exempel, en svit satelliter visade att världens landlåsta bassänger, redan bland de torraste platserna på jorden, framför allt Aralsjön i Centralasien, förlorar snabbt vatten.

Rymdorganisationer designar också nya uppdrag för att täcka delar av vattnets kretslopp som nuvarande satelliter ännu inte kan observera tillräckligt, som snöpackningen i Sierra Nevada. Estimating evaporation also remains a real challenge. Current methods produce very different global patterns, and the path toward new solutions for reliably estimating evaporation from space remains uncertain.

Satellites have gone from curios on the sidelines of hydrology to central players in understanding the global water cycle. When John Wesley Powell sent 20-odd members of the new USGS to the banks of the Rio Grande, he likely couldn't have imagined that, 130 years later, water scientists like me would be following in his footsteps using satellites orbiting hundreds of miles overhead.

Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln.