Sneeuwvlokken die bergen bedekken of onder boomtoppen blijven hangen, zijn een essentiële zoetwaterbron voor meer dan een miljard mensen over de hele wereld. Om te helpen bepalen hoeveel zoet water in de sneeuw wordt opgeslagen, een team van door NASA gefinancierde onderzoekers maakt een computergebaseerd hulpmiddel dat de beste manier simuleert om sneeuw te detecteren en het watergehalte vanuit de ruimte te meten.

Het watergehalte van sneeuw, of sneeuwwaterequivalent (SWE) is een "heilige graal voor veel hydrologen, " zei Bart Forman, hoofdonderzoeker van het project en een professor aan de Universiteit van Maryland, Collegepark. Als de sneeuw smelt, de resulterende plas water is zijn SWE.

In westelijke staten van de V.S. sneeuw is de belangrijkste bron van drinkwater en water uit sneeuw levert een belangrijke bijdrage aan de opwekking van waterkracht en de landbouw.

Sommige veranderingen in sneeuwvalpatronen zijn indicatoren van klimaatverandering. Bijvoorbeeld, warmere temperaturen zorgen ervoor dat water valt als regen in plaats van sneeuw. Als resultaat, sommige bergen kunnen geen water vasthouden in de vorm van een sneeuwlaag zoals vroeger, wat betekent dat regen rivieren overstroomt en overstromingen intenser zijn. Als het vloedseizoen voorbij is, droogtes kunnen ernstiger zijn.

De nieuwe aanpak van Forman volgt op de inspanningen van NASA om SWE te bestuderen vanuit satellieten, vliegtuigen en het veld. De Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) is een instrument aan boord van twee satellieten dat dagelijkse beelden van de aarde vastlegt. MODIS kan besneeuwd land en ijs op meren en grote rivieren identificeren. De Global Precipitation Measurement-missie (GPM), een internationale constellatie van satellieten, kan elke twee tot drie uur regen en vallende sneeuw over de hele wereld waarnemen.

Naast waarnemingen vanuit de ruimte, NASA voert een campagne dichter bij huis genaamd SnowEX. De campagne is een vijfjarig programma dat observaties vanuit de lucht omvat en vervolgens veldwerk om te onthullen wat satellietinspanningen niet doen. Met SnowEX kunnen onderzoekers complexe terreinen onderzoeken die vanuit de ruimte moeilijk te karakteriseren zijn. De campagne van volgende winter zal samenwerken met het Airborne Snow Observatory, die de sneeuwdiepte en sneeuwkenmerken meet.

Het belang van sneeuw en zijn water

"We zouden graag een globale kaart van SWE hebben, " zei Edward Kim, een onderzoekswetenschapper bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. Echter, er is geen enkele techniek die SWE wereldwijd kan meten, omdat sneeuweigenschappen variëren afhankelijk van waar het landt, zei Kim. Het vormt vaak een diepere laag in bossen, waar het beschut is tegen de zon, maar houdt een ondieper profiel in de toendra en prairie, waar het wordt blootgesteld aan wind en hogere temperaturen.

Sneeuw verandert van vorm als het naar de oppervlakte valt en blijft dan veranderen in zijn rustplaats. Zijn vorm kan bepalen welke sensor hem kan waarnemen, Kim zei, het toevoegen van een andere complexiteit aan de geschatte SWE.

De nieuwe tool van Forman en zijn team zal de meest effectieve combinatie van op satellieten gebaseerde sensoren bepalen om de meeste gegevens te produceren. "De tool laat ons zien hoe we intelligente keuzes kunnen maken over het combineren van sensoren, ' zei Kim.

Een verhaal over verschillende sensoren

De tool evalueert drie verschillende soorten sensoren in een baan om de aarde:radar, radiometer, en lidar.

Het team keek naar radar- en radiometerinformatie van bestaande sensoren, zoals de Advanced Microwave Scanning Radiometer 2 (AMSR2) radiometer. De sensor werd gelanceerd als een samenwerking onder leiding van het Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) om microgolfemissies van het aardoppervlak en de atmosfeer op te vangen. Het is bedoeld om sneeuwbedekking te identificeren, temperatuur van het zeeoppervlak, bodemvocht en andere factoren die cruciaal zijn voor het begrijpen van het klimaat op aarde.

Voor radarwaarnemingen, het team omvatte gegevens van de Copernicus Sentinel 1A- en 1B-satellieten van de European Space Agency (ESA), die land- en oceaanoppervlakken bewaken.

Naast radar- en radiometersensoren, die momenteel sneeuw vanuit de ruimte in de gaten houden, de simulatie van de nieuwe tool bevat lidar; lidar is aan boord van vliegtuigen gevlogen om sneeuw over bepaalde gebieden te meten. Bijvoorbeeld, de SnowEx-campagne en NASA's Airborne Snow Observatory gebruiken lidar om de sneeuwdiepte en SWE te bepalen. "We kunnen helpen bij het onderzoeken van de vraag, wat als we een op sneeuw gerichte satellietmissie in de ruimte hadden?", zei Forman.

Van supercomputers en satellieten

"Om dit alles te kunnen doen, je moet supercomputers gebruiken, " zei Forman. Specifiek, de Discover Supercomputer bij Goddard en het Deepthought2 High-Performance Computing-cluster aan de Universiteit van Maryland.

Zodra de gegevens van de verschillende sensoren in de simulatietool staan, het team kan experimenten uitvoeren met verschillende scenario's, zoals het plaatsen van een satelliet in de ene baan ten opzichte van de andere, of een satelliet laten kijken naar een brede baan versus een smalle baan van de aarde. Met deze reeks experimenten, ze kunnen vergelijken hoe goed een bepaalde combinatie presteert in vergelijking met een benchmarkscenario, zei Forman.

Als een algemene regel, met meer satellieten in een baan om de aarde, wetenschappers zouden beschikken over gegevens van hogere kwaliteit, zei Forman. Echter, "We kunnen het vragen, wat is de marginale winst als we nog een radiometer hadden?" zei Forman.

De nieuwe simulatietool voor sneeuwdetectie zal helpen bij het creëren van een ruimtegebaseerde sneeuwobservatiestrategie om deze essentiële zoetwaterbron beter te begrijpen. De simulator zal worden gebruikt om "vragen te blijven stellen over wat de volgende stap moet zijn en hoe we over 20 jaar of meer moeten plannen, ' zei Forman.

Deze nieuwe sneeuwsimulatietool wordt gefinancierd door NASA's Earth Science Technology Office.