In 1889, in de buurt van de afgelegen grensstad Embudo, New Mexico, John Wesley Powell, de beroemde ontdekkingsreiziger van de Grand Canyon en tweede hoofd van de U.S. Geological Survey, begon een stille wetenschappelijke revolutie.

Hij wist dat water steeds belangrijker zou worden voor het Amerikaanse Westen, maar niemand had een manier ontwikkeld om erachter te komen hoeveel er beschikbaar was. Powell zette een veldkamp op met 14 studenten, drie instructeurs, twee arbeiders en een kok, en gaf hen de opdracht om de eerste meter te ontwikkelen om te meten hoeveel water er door een Amerikaanse rivier stroomt.

Met hun succes het mogelijk was om te weten hoeveel water uit de Rio Grande kon worden gehaald voor irrigatie zonder dat het onbevaarbaar werd of, slechter, helemaal opdrogen.

Meer dan een eeuw later, de USGS exploiteert meer dan 10, 000 stroommeters door het hele land. Ze lijken opmerkelijk veel op die eerste Embudo-meter. Andere landen werken duizenden meer.

Vandaag, hydrologen zoals ik gebruiken het stroommeternetwerk, samen met even grote netwerken van sensoren die regenval meten, bodemvocht, sneeuwdiepte en andere delen van de watercyclus. Deze tools helpen om te laten zien hoeveel water beschikbaar is voor mensen en ecosystemen en hoe dat water zich van plaats naar plaats verplaatst.

Verhuizen naar de ruimte

In de afgelopen 30 jaar, hydrologie is tegen een kleverig probleem aangelopen. Er zijn simpelweg niet genoeg sensoren voor de vragen die hydrologen willen beantwoorden.

Proberen, bijvoorbeeld, om te meten hoeveel sneeuw er is opgeslagen in een bergketen als de Sierra Nevada in Californië. Dit water is een essentiële hulpbron voor de staat. De Sierra Nevada bevat ongeveer 130 "sneeuwkussens" die de hoeveelheid water meten die is opgeslagen in de sneeuw direct erboven. Maar het gebied dat door de sensoren wordt gemeten, is ongeveer 2 miljoenste van een procent van het totale gebied van de Sierra.

Als je probeert te achterhalen hoeveel water er in de Sierras is opgeslagen, je loopt tegen een methodologische muur aan. Er is geen goede manier om er direct te komen.

Dit soort problemen duikt overal in de hydrologie op, van sneeuw tot bodemvocht en rivieren tot stuwmeren. Hoewel het plaatsen van meer sensoren een optie is, ze zijn duur in onderhoud, en het is onmogelijk om genoeg uit te zetten om een ​​hele bergketen te meten. Een betere optie zou zijn om grote oppervlakken in één keer te meten.

Ongeveer twee decennia geleden begonnen, een kleine groep wetenschappers stelde een nieuwe oplossing voor:wat als ze de watercyclus vanuit de ruimte zouden kunnen meten?

Jay Famiglietti van de Universiteit van Saskatchewan was een van deze wetenschappers. Veel van het werk van Famiglietti heeft gebruik gemaakt van de missie Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE), een paar satellieten gelanceerd in 2002. De satellieten, bijgenaamd Tom en Jerry, achter elkaar aan rond de planeet en gebruik kleine variaties in de afstand tussen hen om veranderingen in de zwaartekracht van de aarde te meten. Veel van deze variaties komen van water dat rond beweegt. GRACE volgt veranderingen in de totale wateropslag in het grondwater, het oppervlak en de atmosfeer.

"[GRACE] schetst een meeslepend beeld, omdat het ons in staat stelt om de menselijke vingerafdruk op de beschikbaarheid van water te zien, en de impact van klimaatverandering op de beschikbaarheid van water, " vertelde Famiglietti me. Sommige van zijn werk met GRACE heeft diepe grondwaterverliezen aangetoond in Noord-India, het Midden-Oosten en andere plaatsen die kwetsbaar kunnen zijn voor toekomstige watertekorten. Het originele paar GRACE-satellieten ging offline in 2017, maar een nieuw paar lanceerde het volgende jaar.

Een gouden eeuw

Andere satellieten die zijn ontworpen om specifieke delen van de watercyclus te meten, kwamen rond dezelfde tijd als GRACE online, hoewel ze enkele beperkingen hadden.

ijsSAT, actief van 2003 tot 2009, de veranderende vorm van gletsjers en ijskappen gemeten, maar de lasers hadden enkele technische problemen die de levensduur ervan beperkten. De Tropical Rainfall Measurement Mission leverde gegevens over neerslag op lage breedtegraden, maar het werkte slecht voor sneeuw en regio's met sterke onweersbuien. Wetenschappers kwamen met verbeterde manieren om gegevens van passieve microgolfsensoren te gebruiken, waarvan sommige al in een baan om de aarde waren, bodemvocht inschatten, maar ze leverden alleen gegevens op relatief grove schalen.

Vanaf 2014, een nieuwe generatie satellieten heeft verbeteringen gebracht. De wereldwijde neerslagmissie, een constellatie van satellieten, is aanzienlijk verbeterd op TRMM.IceSAT-2, die NASA in 2018 lanceerde, heeft veel betere lasers dan zijn voorloper. Toegewijde bodemvochtmissies gelanceerd door de European Space Agency en NASA bieden meer nauwkeurig afgestemde metingen dan eerdere sensoren.

Ik maak deel uit van een internationaal team dat het eerste project zal lanceren dat gewijd is aan het meten van de gemakkelijkst toegankelijke waterbronnen van de aarde:rivieren en meren. De missie Surface Water and Ocean Topography (SWOT) is een actieve sensor die, vanaf 2021, zal radarpulsen naar de aarde sturen en meten hoe lang het duurt om terug te keren naar de satelliet. Door middel van fijn afgestemde algoritmen, SWOT zal veranderingen meten in de hoeveelheid water opgeslagen in miljoenen meren en reservoirs over de hele wereld en schatten, vanuit de ruimte, de hoeveelheid water die door de meeste grote rivieren ter wereld stroomt.

Met al deze satellieten, hydrologen zullen veel afzonderlijke delen van de watercyclus kunnen volgen met behulp van observaties vanuit de ruimte. De volgende uitdaging is om al die metingen op een coherente manier bij elkaar te brengen. Elke satelliet heeft zijn eigen eigenaardigheden. Wetenschappers werken eraan om al hun vroegere en huidige gegevens te integreren met computersimulaties van de watercyclus van de aarde.

Samen, deze waarnemingen kunnen helpen om droogte beter te voorspellen, volg overstromingen en informeer de wereld over hoe klimaatverandering de toegang tot waterbronnen verandert. Bijvoorbeeld, een reeks satellieten toonde aan dat 's werelds ingesloten bekkens, al een van de droogste plekken op aarde, met name het Aralmeer in Centraal-Azië, verliezen snel water.

Ruimteagentschappen ontwerpen ook nieuwe missies om delen van de watercyclus te dekken die de huidige satellieten nog niet adequaat kunnen waarnemen. zoals de sneeuwlaag in de 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.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.