Nu de lente- en zomertemperaturen terugkeren naar het noordelijk halfrond, de wintersneeuw smelt, het vrijgeven van kostbaar zoet water in de stromen van de aarde, rivieren en oceanen. Deze jaarlijkse verandering zorgt voor vloeibaar water om te drinken, landbouw en waterkracht voor meer dan een miljard mensen over de hele wereld. In de toekomst, NASA is van plan een satellietmissie te gebruiken om te meten hoeveel water het wintersneeuwpakket van de wereld bevat, en om dat te doen, ze moeten weten welke combinatie van instrumenten en technieken deze informatie efficiënt vanuit de ruimte zal meten.

Samenkomen om sneeuwwater te meten

Sneeuwwater equivalent, of SWE (uitgesproken als "swee"), is hoeveel vloeibaar water er in een sneeuwvolume zit als het smelt, en wordt afgeleid uit diepte en dichtheid.

"Diepen zijn eenvoudig te meten, toch variëren diepten vaak sterk van plaats tot plaats en dat vereist veel metingen op verschillende plaatsen om een ​​goede schatting te krijgen, " zei Chris Hiemstra, een onderzoeker in Fairbanks, Alaska, met het US Army Corps of Engineers' Cold Regions Research and Engineering Laboratory (CRREL).

"De dichtheid is een grotere uitdaging omdat deze verandert met de sneeuwtijd en de lokale omstandigheden. verse koude sneeuwval is licht en luchtig, met slechts 5-10% water in vlokken kun je met een lichte ademhaling bewegen. In warmere sneeuwlagen op de grond, door wolken verspreide sneeuwvlokken smelten samen en veranderen in grotere gebonden ronde korrels met een hogere dichtheid. met wind, sneeuw wordt geblazen, gebroken en verpakt in driften, maar zelfs dan, het is slechts 40-50% water. Variabiliteit in diepten en dichtheden maakt SWE een uitdaging om in kaart te brengen."

Natte sneeuw die valt bij temperaturen rond het vriespunt (32 graden) heeft meestal een dichtheid van ongeveer 8-10 inch sneeuw gelijk aan 1 inch SWE. Met andere woorden, er zou bij temperaturen onder het vriespunt ongeveer 8-10 inch natte sneeuw nodig zijn om 1 inch gesmolten water te krijgen. In tegenstelling tot, sneeuw die valt bij koudere temperaturen, rond de -4 graden, is veel minder dicht:om onder deze omstandigheden 1 inch gesmolten water uit sneeuw te halen, je hebt er misschien tot 20 inch van nodig.

Huidige satellietmissies meten gemakkelijk hoeveel van het land bedekt is met sneeuw. Maar geen enkele satelliet die momenteel in een baan om de aarde is, bevat een instrument of verzameling instrumenten die zijn ontworpen om SWE te meten en/of de sneeuwkenmerken die kunnen worden gebruikt om het te berekenen.

Voor de intensieve gebruiksperiode van SnowEx 2020, een slopende drie weken van gegevensverzameling op één locatie, wetenschappers van over de hele wereld reisden naar Grand Mesa, Colorado. Het is 's werelds grootste mesa, of platte berg, en om 11 uur 000 voet boven zeeniveau, de winters zijn lang en de sneeuw kan diep zijn. Het hoge vlakke oppervlak en de verscheidenheid aan landbedekking - van wijd open weiden tot dichte bossen - maken het perfect voor het testen van instrumenten in verschillende omstandigheden.

Door bijtende kou, verblindende zonneschijn, zware sneeuwval en harde wind, het grondteam groef, bemonsterd en opnieuw gevuld met meer dan 150 sneeuwkuilen:gaten ter grootte van een auto in de sneeuw die helemaal tot aan de grond reiken, waardoor ze metingen van de pitmuren kunnen doen en zien hoe de sneeuwkarakteristieken van boven naar beneden variëren. Andere teamleden gebruikten sondes om bijna 38 te meten, 000 sneeuwhoogtes tijdens de drie weken tijdens het skiën of sneeuwschoenwandelen in een gebied ter grootte van een voetbalveld rond de pits.

NASA's SnowEx-campagne is een meerjarige inspanning waarbij een verscheidenheid aan technieken wordt gebruikt om sneeuwkenmerken te bestuderen, en het team voltooide hun tweede veldcampagne in maart 2020. SnowEx leert waardevolle informatie over hoe sneeuweigenschappen veranderen per terrein en in de loop van de tijd, en ze onderzoeken ook de tools, gegevenssets, en technieken die NASA nodig heeft om sneeuw uit de ruimte te bemonsteren.

"De SnowEx-campagne van deze winter heeft waardevolle gegevens verzameld voor het beoordelen van meerdere sneeuwsensortechnieken. Het zou niet mogelijk zijn geweest zonder het harde werk en de steun van alle deelnemers en partners die hebben geholpen, " zei Carrie Vuyovich, SnowEx 2020 plaatsvervangend projectwetenschapper, hoofdwetenschapper voor NASA's Terrestrial Hydrology Snow-programma en een fysisch wetenschapper bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland.

"Wij kunnen zien, en zelfs horen, hoe de kenmerken van de sneeuw van boven naar beneden veranderen, " zei Hiemstra. "De nieuwste sneeuw op de top is pluizig en stil. Daaronder, de wind heeft het in dichte lagen gepakt die op de schop schrapen. De sneeuw naar de bodem is los en heeft scherpe puntige randen. Als je je erin verdiept, ijzige punten knappen en rinkelen als ze tegen de schop vallen."

De pitcrews maten ook het sneeuwwatergehalte, temperatuur, reflectie en deeltjesgrootte. Onderzoekers gebruikten handinstrumenten om de sneeuwhardheid te meten, microstructuur en diepte rond de pits. "Een uitdaging bij deze puntwaarnemingen is de vergelijking met waarnemingen in de lucht en in de ruimte, die voetafdrukken hebben in de orde van tien tot duizenden meters, " zei HP Marshall, een universitair hoofddocent aan de Boise State University, Idaho, een onderzoeker bij CRREL en de projectwetenschapper van SnowEx 2020.

Om de variabiliteit in sneeuweigenschappen binnen deze grotere remote sensing-voetafdrukken te begrijpen, het team bestuurde sneeuwscooters in precieze spiralen om actieve en passieve radarmetingen van sneeuwlagen te verzamelen, diepte en watergehalte, met meer continue bemonstering.

"Als je kijkt naar de gegevens die over de mesa in kaart zijn gebracht, is het verbazingwekkend hoeveel gebied we hebben bestreken. Er zijn interessante ruimtelijke patronen in de sneeuwdieptegegevens, waar de diepe sneeuw zich vormt langs de randen van beboste gebieden, "zei Vuyovich. "Er is minder sneeuw tussen de bomen en het is gemiddeld in de open lucht. Deze heterogeniteit in sneeuwdiepte is voornamelijk te wijten aan herverdeling van de wind en laat echt zien waarom we zoveel waarnemingen nodig hebben om de waarnemingen met teledetectie te valideren en onze modellen te testen."

Terwijl de grondteams in de sneeuw werkten, luchtlandingsteams vlogen precisievluchtlijnen boven het hoofd met instrumentcombinaties die vergelijkbare metingen deden:radar en lidar (lichtdetectie en -bereik) voor sneeuwdiepte, microgolfradar en radiometers voor SWE, optische camera's om het oppervlak te fotograferen, infrarood radiometers om de oppervlaktetemperatuur te meten en hyperspectrale imagers om sneeuwbedekking en compositie te documenteren. Een van de zeven instrumenten is ontwikkeld en gebouwd door NASA Goddard:The Snow Water Equivalent Synthetic Aperture Radar and Radiometer, of SWESARR. Een andere radar, de Uninhabited Aerial Vehicle Synthetic Aperture Radar, of UAVSAR, kwam van NASA's Jet Propulsion Laboratory.

De teams maakten ook gebruik van viaducten van verschillende NASA-satellieten, inclusief ICESat-2 en de NASA/European Space Agency Sentinel-missie, om aanvullende gegevens te verzamelen om te vergelijken. Terug op de grond, Vuyovich en haar team hebben een reeks computermodellen gebruikt om later te vergelijken met verzamelde gegevens, en kijk hoe ze vergeleken en kunnen worden gecombineerd voor toekomstige analyses.

"De periode bij Grand Mesa ging zo goed, " zei Marshall. "De hele 44-koppige veldploeg werkte ongelooflijk hard, en vooral, veel van de jongere studenten kwamen echt op gang. Ik ben enthousiast over onze opkomende generatie sneeuwwetenschappers - ze zullen geweldige dingen doen."

Een DHC-6 Twin Otter zit op de startbaan onder een bewolkte hemel

Het was een uitdaging om zowel nieuwe als volwassen instrumenten te coördineren in verschillende omstandigheden en locaties. zei Marshall.

"Voor een seizoensgebonden sneeuwcampagne in de lucht, SnowEx 2020 is uniek omdat we met succes zoveel instrumenten over dezelfde locatie hebben gevlogen, gecoördineerd met uitgebreide veldwaarnemingen, " zei hij. "Het samen gebruiken van die datasets wordt echt spannend. Het zal ons een lange weg kosten naar een beter begrip van hoe we een wereldwijd SWE-product kunnen ontwikkelen dat gegevens van meerdere satellieten combineert, veldgegevens en modellering."

Als sneeuw smelt en natter wordt in de lente, het wordt een grotere uitdaging om te meten. Van december 2019 tot maart 2020, kleinere lokale teams hebben wekelijkse grondmetingen en tweemaandelijkse luchtonderzoeken gedaan op 13 locaties die verschillende sneeuwklimaten overspannen, in vijf verschillende staten in het westen van de Verenigde Staten.

Hoewel de campagne vanwege de coronapandemie vroeg is afgelopen, de grote verscheidenheid aan bemonsteringslocaties van het team gaf hen voldoende gegevens om te valideren en te analyseren, zeiden Vuyovich en Marshall. Tijdens elke vlucht wordt teams op elke locatie hebben de gegevens gemeten en ingevoerd in het voor SnowEx ontworpen systeem van het National Snow and Ice Data Center, en beide wetenschappers voerden regelmatig incheckgesprekken via videoconferenties.

"Er waren zeker uitdagingen bij het op afstand beheren van zo'n grote campagne, maar het was een geweldige leerervaring, "Vuyovich zei. "Dit soort campagne is waardevol, dus weten wat wel en niet werkte, heeft ons geholpen om over toekomstige jaren te praten en hoe we dingen anders zouden kunnen structureren."

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, modellen, and satellite measurements. The SnowEx 2020 data will provide information to allow us to explore tradeoffs in cost, complexity and accuracy."