Het is de mooiste tijd van het jaar - de tijd dat NASA's SnowEx-campagne de lucht en de grond van 's werelds besneeuwde plaatsen bereikt, sneeuweigenschappen meten om te begrijpen hoeveel water de sneeuwval van elke winter bevat.

Sneeuw is een onmisbare bron van drinkwater, landbouw en elektrische energie in het westen van de Verenigde Staten en andere locaties over de hele wereld. Om te weten hoeveel water er de volgende lente beschikbaar zal zijn, waterbeheerders en hydrologen moeten weten waar de sneeuw is gevallen, hoeveel er is en hoe kenmerken veranderen als het smelt. Sneeuwwaterequivalent meten, of ZWE, vertelt hen hoeveel water er in het sneeuwpakket zit.

NASA heeft momenteel geen wereldwijde satellietmissie om SWE te volgen en te bestuderen. SnowEx's luchtmetingen, grondmetingen en computermodellering banen de weg voor de toekomstige ontwikkeling van een wereldwijde sneeuwsatellietmissie. Hier zijn enkele dingen waar ze op zullen letten in de 2020-campagne.

In de lucht …

Sneeuw is een uitdaging om te meten omdat de kenmerken veranderen afhankelijk van het terrein waarop het valt, hoe diep het is en of het aan het smelten is. Geen enkel gereedschap of meetinstrument kan altijd alle soorten sneeuw meten, zei de ploeg.

"De onderzoekshiaten in teledetectie in sneeuw kunnen worden gegroepeerd op sneeuwklimaatklassen:toendra-sneeuw, sneeuw in bossen, sneeuw in maritieme gebieden - en door hoe sneeuw in de loop van de tijd evolueert, " zei Carrie Vuyovich, een onderzoekswetenschapper bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland en SnowEx 2020's huidige plaatsvervangend projectwetenschapper. "Verschillende sneeuwkenmerken hebben een andere invloed op de metingen."

Door het sneeuwwaterequivalent (SWE) gedurende het seizoen te volgen, weten hydrologen en waterbeheerders welk water beschikbaar zal zijn als het in de lente smelt, evenals plannen voor mogelijke overstromingen of droogtes.

"Het is niet zozeer de diepte van de sneeuw - dat is de maatstaf die de meeste mensen waarschijnlijk kennen, " zei Ed Kim, een onderzoekswetenschapper bij de voormalige projectwetenschapper van Goddard en SnowEx. "Je weet wel, in de winter, als het sneeuwt en je moet je oprit scheppen, je wilt weten hoeveel centimeter sneeuw je moet scheppen. Maar we zijn op zoek naar het waterequivalent:hoeveel water die sneeuw vertegenwoordigt en wat het betekent voor overstromingen en droogtes."

De SnowEx-campagne in de lucht zal met radar en lidar (lichtdetectie en -bereik) vliegen om de sneeuwdiepte te meten, microgolfradar en radiometers om SWE te meten, optische camera's om het oppervlak te fotograferen, infrarood radiometers om de oppervlaktetemperatuur te meten, en hyperspectrale imagers om sneeuwbedekking en compositie te documenteren. Sommige van deze instrumenten werken beter dan andere op verschillende soorten terrein, vegetatie en sneeuwcondities, en door te zien waar en wanneer elk het beste presteert, kunnen sneeuwwetenschappers beslissen hoe verschillende combinaties van instrumenten nuttige metingen kunnen opleveren voor een mogelijke satellietmissie.

SnowEx 2020 test eerst de instrumenten in de buurt van Grand Mesa, Colorado, die zowel vlakke sneeuw als bos omvat. De campagne van dit jaar omvat ook een tijdreeks van vluchten door Colorado, Utah, Idaho en Californië als sneeuw smelt in de lente, het documenteren van veranderingen tussen locaties en seizoenen. Het team begon met vluchten in december 2019 en zal eindigen in mei 2020.

"De laatste campagne was een momentopname, " zei Vuyovich. "We hebben niet veel verandering gezien in de sneeuwcondities gedurende de periode van drie weken in 2017, en sommige technieken waarin we geïnteresseerd zijn, gebruiken een methode voor het detecteren van veranderingen."

De tijdreekscampagne zal een SWE-meetmethode testen en valideren met behulp van L-band interferometrische synthetische apertuurradar (InSAR), gemeten met het UAVSAR-instrument van het NASA Jet Propulsion Laboratory.

"Het UAVSAR-instrument is zeer betrouwbaar - het wordt vaak gevlogen voor niet-sneeuwtoepassingen zoals vervorming van het aardoppervlak na aardbevingen of vulkanen, " zei HP Marshall, een universitair hoofddocent aan de Boise State University, Idaho en onderzoeker bij het US Army Cold Regions Research and Engineering Lab, en de projectwetenschapper van SnowEx 2020. "Tijdens onze voorlopige tests in 2017, we kregen een aantal veelbelovende resultaten die correleren met sneeuwdiepte en SWE, maar er was geen grote verandering, dus we konden niet testen onder een breed scala aan omstandigheden. in 2020, we zullen wekelijks tot tweewekelijks InSAR-metingen doen tijdens een tijdreeksexperiment, van sneeuwvrije omstandigheden tot overgang naar het natte voorjaarssneeuwpakket."

SnowEx zal ook de Snow Water Equivalent Synthetic Aperture Radar and Radiometer (SWESARR) testen. SWESARR is ontwikkeld bij NASA Goddard, en dankzij de combinatie van actieve en passieve microgolfmetingen kan het de kenmerken van de sneeuw en de onderliggende grond meten, die het microgolfsignaal kunnen beïnvloeden.

SnowEx omvat partners van universiteiten, particuliere instellingen en andere overheidsinstanties die aanvullende expertise en instrumenten inbrengen, zoals het gamma-instrument in de lucht van de National Oceanic and Atmospheric Administration en de FMCW-radar van de University of Alabama. Deze instrumenten kunnen niet in de ruimte worden gebruikt, maar ze zullen de sneeuwwetenschapsgemeenschap helpen hun begrip van sneeuw onder verschillende omstandigheden te vergroten.

Het team zal hun gegevens ook vergelijken met NASA's ICESat-2 en de Sentinel 1A- en 1B-satellieten van de European Space Agency, en optische beelden met hoge resolutie van NASA WorldView en particuliere beeldverwerkingsbedrijven.

… en op de grond

Om te weten of hun algoritmen nauwkeurig zijn, het team verzamelt ook gegevens op de grond. De grondteams van SnowEx 2020 meten de sneeuwdiepte, dichtheid, accumulatie lagen, temperatuur, nattigheid en sneeuwkorrelgrootte - de grootte van een typisch deeltje. Door deze kenmerken te meten, kunnen ze zien hoe verschillende locaties en kenmerken op de grond de luchtgegevens beïnvloeden.

Dit jaar, realtime computermodellering zal ook in de campagne worden geïntegreerd.

"Onze sneeuwmodelleringsgroep heeft gewerkt om te begrijpen waar we de grootste onzekerheid zien in modelsimulaties van SWE, "zei Vuyovich. Hier, "onzekerheid" verwijst naar het bereik van schattingen van een aantal simulaties. Het team verzamelde een twaalfkoppig ensemble van verschillende modellen en atmosferische gegevens om negen jaar sneeuwseizoenen in Noord-Amerika te simuleren, gebieden aan te wijzen waar de onzekerheid het grootst was.

"Door de gegevens in realtime te evalueren, kunnen we begrijpen wat de oorzaak is van de onzekerheid." zei Vuyovich. "Volgende, we gaan kijken hoe het assimileren van verschillende teledetectieobservaties onze schattingen kan helpen verbeteren."