Je merkt misschien geen water in de grond onder je voeten, maar het speelt een belangrijke rol om je in leven te houden. Planten halen water uit de grond in hun wortels en gebruiken het om te groeien. Als er niet genoeg is, de resulterende droogte kan gevolgen hebben die zich over de lokale watervoorziening verspreiden, regionale landbouw en zelfs internationale voedselprijzen. NASA's Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE)-missie was het eerste satellietsysteem dat rechtstreeks wereldwijde veranderingen meet in het water dat ondergronds is opgeslagen in 's werelds grootste watervoerende lagen. GRACE vervolg, gepland om deze maand van start te gaan, zal deze belangrijke taak voortzetten.

"Er zijn echt geen teledetectieproducten die gelijkwaardig zijn aan GRACE-gegevens bij het geven van een momentopname van de omstandigheden in diepe watervoerende lagen, " zei Brian Wardlow, directeur van het Center for Advanced Land Management Information Technologies aan de Universiteit van Nebraska, Lincoln. Wardlow is bekend met de waarde van deze informatie bij het begrijpen van droogte. Hij werkte bij het National Drought Mitigation Center (NDMC) in Lincoln toen de oorspronkelijke GRACE-gegevens voor het eerst werden verwerkt in experimentele producten van de wekelijkse U.S. Drought Monitor-kaarten. De kaarten tonen het bodemvocht op drie ondergrondse niveaus:de bovenste paar centimeter grond, de bovenste paar voet/een meter grond (de wortelzone), en watervoerende lagen.

De U.S. Drought Monitor-kaarten zijn een van de belangrijkste hulpmiddelen van het land voor het volgen van droogte in de Verenigde Staten. Ze worden veel gebruikt door besluitvormers op federaal en staatsniveau. Bijvoorbeeld, de huidige Amerikaanse Farm Bill wijst de droogteranglijsten van de droogtemonitor per provincie aan als de standaard om te beoordelen of iemand in aanmerking komt voor een aantal federale rampenhulpprogramma's.

Klimatoloog Brian Fuchs van NDMC, een van de wetenschappers die de droogtekaarten hebben geschreven, legde uit dat bodemvocht schaars wordt gemeten op de grond. "Sommige staten hebben hun eigen [grond]netwerken, maar de gegevens zijn vlekkerig, en dat maakt het erg moeilijk om de producten te gebruiken in een nationale beoordeling, zei hij. GENADE bestrijkt het hele land, en het helpt ons om een ​​idee te krijgen van waar natte en droge gebieden zijn."

De NDMC hield ook rekening met GRACE-gegevens bij het produceren van andere NDMC-bronnen, zoals de Quick Drought Response Index (QuickDRI), een door NASA ondersteund project met meerdere institutionele partners. QuickDRI is een systeem voor vroegtijdige waarschuwing voor plotselinge droogte - snel ontwikkelende verliezen van bodemvocht als gevolg van hittegolven en gebrek aan regen. Het begin van een plotselinge droogte is moeilijk te detecteren op grondniveau, maar de gevolgen voor de landbouw kunnen net zo hard zijn als die van een seizoensgebonden droogte.

De gegevens in de kaarten krijgen

Toen GRACE in 2002 werd gelanceerd, het wetenschappelijke team wist dat de gegevens nuttig zouden zijn voor het meten van de uitputting van grote watervoerende lagen. Echter, de meeste hydrologen waren niet bekend met de meting. Een van de weinige uitzonderingen was Matt Rodell, nu hoofd van het Hydrological Sciences Laboratory van NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. Rodell had onlangs zijn promotieonderzoek gedaan naar hoe de nieuwe GRACE-gegevens kunnen worden gebruikt voor het monitoren van ondergronds water.

GRACE-FO, zoals GENADE, is ontworpen om veranderingen in zwaartekracht te meten die het gevolg zijn van veranderingen in massa op aarde. Meer dan 99 procent van de gemiddelde zwaartekracht van de aarde verandert niet van maand tot maand. Dat komt omdat het afkomstig is van de massa van de vaste aarde zelf - het oppervlak en het binnenste - en dat zelden beweegt, of beweegt heel langzaam. Water, anderzijds, beweegt bijna overal voortdurend:sneeuw valt, oceaanstromingen stromen, ijs smelt enzovoort. Terwijl de twee GRACE-FO-satellieten in een baan om de aarde draaien, de een volgt de ander op de voet, de veranderingen in massa hieronder veranderen de afstand tussen de twee satellieten zeer licht. De registratie van deze veranderingen wordt geanalyseerd om maandelijkse globale kaarten te maken van veranderingen en herverdeling van de massa van de aarde nabij het oppervlak.

Aangezien de door GRACE gebruikte technieken de totale verandering in massa van maand tot maand registreren, niet of die verandering bovengronds plaatsvond, dicht bij het oppervlak in de grond, of diep onder de grond, Rodell en Jay Famiglietti, nu in het Jet Propulsion Laboratory van NASA in Pasadena, Californië, nodig om de GRACE-gegevens te combineren met meteorologische en andere gegevens om de ondergrondse waterveranderingen te scheiden van bovengrondse en nabije oppervlakteveranderingen. Na verschillende experimenten met de gecombineerde waarnemingen, Rodell en Famiglietti konden voor het eerst het signaal van veranderend water in aquifers isoleren met behulp van teledetectiegegevens.

Een ander obstakel tussen GRACE en operationele droogtemonitoring was een mismatch in tijd en ruimtelijke schaal. GRACE-gegevensproducten werden eenmaal per maand geproduceerd met een resolutie van ongeveer 300 vierkante kilometer. Waterbeheerders hebben om de paar dagen nieuwe gegevens nodig om het veranderende bodemvocht bij te houden, en ze zouden het liever hebben op de schaal van hun land, wijk of vergelijkbaar kleiner gebied. Rodell en zijn team bij Goddard verwerkten de GRACE-gegevens en een langetermijnverslag van weerobservaties zoals neerslag, temperatuur en zonnestraling in een NASA hydrologisch model, het Catchment Land Surface Model genoemd. Het is een numeriek model van water- en energieprocessen op het land, ontwikkeld voor onderzoek naar de mondiale watercyclus. Met geavanceerde numerieke modelleringstechnieken en data-analyse, het Goddard-team de GRACE-gegevens kon verkleinen, dat is, om de grotere tijd- en ruimteschalen aan te passen aan de fijnere schalen van het model.

Het team genereerde elke week experimentele droogte-indicatoren op basis van gedownscalede gegevens van 2011 tot de GRACE-missie eindigde in oktober 2017.

Vooruit kijken

Omdat de oorspronkelijke GRACE-missie afgelopen herfst eindigde na het einde van het groeiseizoen, Fuchs van NDMC zei dat het verlies ervan nog niet sterk is gevoeld door de kaartenmakers van de Droogtemonitor. "We zouden op zoek zijn naar GRACE in het groeiseizoen, where soil moisture is pertinent to determining crops and vegetation, " he said. "In a couple more months, people will be asking, 'Where are these data?'"

Those people will most likely have their answer before the 2019 growing season, as GRACE Follow-On begins delivering monthly maps. Fuchs said, "If it's going to behave as GRACE did in the past, it will be a valuable asset."