När vår- och sommartemperaturerna återvänder till det norra halvklotet, vinterns snö smälter, släpper ut dyrbart färskvatten i jordens strömmar, floder och hav. Denna årliga förändring ger flytande vatten att dricka, jordbruk och vattenkraft för mer än en miljard människor runt om i världen. I framtiden, NASA planerar att använda ett satellituppdrag för att mäta hur mycket vatten världens vintersnöpack innehåller, och att göra det, de behöver veta vilken kombination av instrument och tekniker som effektivt kan mäta denna information från rymden.

Går tillsammans för att mäta snövatten

Motsvarande snövatten, eller SWE (uttalas "swee"), är hur mycket flytande vatten det finns i en mängd snö när den smälter, och härleds från djup och täthet.

"Djup är enkla att mäta, men djupen varierar ofta mycket från en plats till en annan och det kräver många mätningar på olika platser för att få en bra uppskattning, sa Chris Hiemstra, en forskare i Fairbanks, Alaska, med U.S. Army Corps of Engineers' Cold Regions Research and Engineering Laboratory (CRREL).

"Tätheten är mer utmanande eftersom den förändras med snöåldern och lokala förhållanden. Som ett exempel, ny kall snö är lätt och luftig, med endast 5-10% vatten i flingor kan du röra dig med ett lätt andetag. I varmare snöpackningsförhållanden på marken, molnburna snöflingor smälter samman och övergår till större bundna runda korn med högre densitet. Med vind, snön blåser, bruten och packad i drivor, men även då, det är bara 40-50% vatten. Variation i djup och täthet gör SWE utmanande att kartlägga."

Våt snö som faller vid temperaturer runt fryspunkten (32 grader) har vanligtvis en täthet på cirka 8-10 tum snö, vilket motsvarar 1 tum SWE. Med andra ord, det skulle ta cirka 8-10 tum våt snö vid minusgrader för att få 1 tum smält vatten. I kontrast, snö som faller vid kallare temperaturer, runt -4 grader, är mycket mindre tät:För att få 1 tum smält vatten från snö under dessa förhållanden, du kan behöva upp till 20 tum av den.

Aktuella satellituppdrag mäter enkelt hur mycket av landet som är täckt av snö. Men ingen enskild satellit som för närvarande är i omloppsbana innehåller ett instrument eller en samling instrument utformade för att mäta SWE och/eller snöegenskaperna som kan användas för att beräkna det.

För SnowEx 2020:s intensiva driftperiod, en ansträngande tre veckors datainsamling på en plats, forskare från hela världen reste till Grand Mesa, Colorado. Det är världens största mesa, eller berg med platt topp, och vid 11, 000 fot över havet, vintrarna är långa och snön kan vara djup. Dess höga plana yta och variation av marktäcke – från vidöppna ängar till täta skogar – gör den perfekt för att testa instrument under olika förhållanden.

Genom bitande kyla, bländande solsken, kraftigt snöfall och kraftiga vindar, det markbaserade laget grävde, provade och fyllde på mer än 150 snögropar:Bilstora hål i snön som sträcker sig hela vägen till marken, så att de kan mäta gropväggarna och se hur snöegenskaperna varierar från topp till botten. Andra teammedlemmar använde sonder för att mäta nästan 38, 000 snödjup under de tre veckorna när du åker skidor eller snöskor i ett område lika stort som en fotbollsplan runt depån.

NASA:s SnowEx-kampanj är en flerårig insats som använder en mängd olika tekniker för att studera snöegenskaper, och teamet avslutade sin andra fältkampanj i mars 2020. SnowEx lär sig värdefull information om hur snöegenskaper förändras med terräng och över tid, och de undersöker också verktygen, datauppsättningar, och tekniker som NASA kommer att behöva för att prova snö från rymden.

"Vinterns SnowEx-kampanj samlade in värdefull data för att bedöma flera tekniker för avkänning av snörmot. Det hade inte varit möjligt utan det hårda arbetet och stödet från alla deltagare och partners som hjälpte till, sa Carrie Vuyovich, SnowEx 2020 biträdande projektforskare, ledande forskare för NASA:s Terrestrial Hydrology Snow-program och en fysikalisk forskare vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland.

"Vi kan se, och till och med höra, hur snöns egenskaper förändras från topp till botten, sade Hiemstra. Den nyaste snön på toppen är fluffig och tyst. Under det, vinden har packat den i täta lager som skrapar på spaden. Snön mot botten är lös och har vassa spetsiga kanter. När du gräver i det, isiga punkter knäpper och ringer när de faller mot spaden."

Depåbesättningarna mätte också snövattenhalten, temperatur, reflektans och partikelstorlek. Forskare använde handhållna instrument för att mäta snöhårdhet, mikrostruktur och djup runt groparna. "En utmaning med dessa punktobservationer är jämförelsen med luftburna och rymdburna observationer, som har fotspår i storleksordningen tiotals till tusentals meter, " sa HP Marshall, en docent vid Boise State University, Idaho, en forskare med CRREL och SnowEx 2020:s projektforskare.

För att förstå variationen i snöegenskaper inom dessa större fjärravkänningsfotspår, teamet körde snöskotrar i exakta spiraler för att samla in aktiva och passiva radarmätningar av snölager, djup och vattenhalt, med mer kontinuerlig provtagning.

"När du tittar på data som kartlagts över mesan är det fantastiskt hur mycket område vi täckte. Det finns intressanta rumsliga mönster i snödjupsdata, där den djupa snön bildas precis längs kanterna av skogsområden, " sa Vuyovich. "Det är grundare snödjup bland träden och det är medelmåttigt ute i det fria. Denna snödjupsheterogenitet beror mest på vindfördelning och visar verkligen varför vi behöver så många observationer för att validera fjärranalysobservationerna och testa våra modeller."

Medan markteamen arbetade i snön, luftburna team flög precisionsflyglinjer ovanför med instrumentkombinationer som gjorde liknande mätningar:radar och lidar (ljusdetektering och avstånd) för snödjup, mikrovågsradar och radiometrar för SWE, optiska kameror för att fotografera ytan, infraröda radiometrar för att mäta yttemperatur och hyperspektrala bildapparater för att dokumentera snötäcke och sammansättning. Ett av de sju instrumenten utvecklades och byggdes på NASA Goddard:The Snow Water Equivalent Synthetic Aperture Radar and Radiometer, eller SWESARR. En annan radar, den obebodda syntetiska aperturradarn för flygfordon, eller UAVSAR, kom från NASA:s Jet Propulsion Laboratory.

Lagen utnyttjade också överfarter från flera NASA-satelliter, inklusive ICESat-2 och NASA/European Space Agency Sentinel-uppdrag, att samla in ytterligare data för att jämföra. Tillbaka på marken, Vuyovich och hennes team körde en rad datormodeller för att jämföra med insamlad data senare, och se hur de jämförs och kan kombineras för framtida analyser.

"Perioden på Grand Mesa gick så bra, " sa Marshall. "Hela fältbesättningen på 44 personer arbetade otroligt hårt, och i synnerhet, många av de yngre eleverna tog verkligen fart. Jag är exalterad över vår kommande generation av snöforskare – de kommer att göra fantastiska saker."

En DHC-6 Twin Otter sitter på banan under mulen himmel

Att samordna både nya och mogna instrument över en mängd olika förhållanden och platser var utmanande, sa Marshall.

"För en säsongsbetonad flygburen snökampanj, SnowEx 2020 är unikt genom att vi framgångsrikt flög så många instrument över samma plats, koordineras med omfattande fältobservationer, ", sa han. "Att använda dessa datamängder tillsammans kommer att bli riktigt spännande. Det kommer att ta oss en lång väg mot en bättre förståelse för hur man utvecklar en global SWE-produkt som kombinerar data från flera satelliter, fältdata och modellering."

När snön smälter och blir blötare på våren, det blir mer utmanande att mäta. Från december 2019 till mars 2020, mindre lokala team gjorde veckovis markmätningar och luftundersökningar varannan månad på 13 platser som sträcker sig över olika snöklimat, i fem olika delstater runt om i västra USA.

Även om kampanjen avslutades tidigt på grund av coronavirus-pandemin, teamets breda utbud av provtagningsplatser gav dem tillräckligt med data för att validera och analysera, sa Vuyovich och Marshall. Under varje överflygning, team på varje plats mätte och matade in data i National Snow and Ice Data Centers system designat för SnowEx, och båda forskarna genomförde regelbundna incheckningssamtal via videokonferenser.

"Det fanns definitivt utmaningar med att fjärrstyra en så stor kampanj, men det var en fantastisk upplevelse, " sa Vuyovich. "Den här typen av kampanj är värdefull, so knowing what worked and didn't work has helped us talk about future years and how we might structure things differently."

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."