Снежинки, которые покрывают горы или задерживаются под кронами деревьев, являются жизненно важным ресурсом пресной воды для более чем миллиарда человек во всем мире. Чтобы помочь определить, сколько пресной воды хранится в снегу, группа исследователей, финансируемых НАСА, создает компьютерный инструмент, который имитирует лучший способ обнаружения снега и измерения содержания воды в нем из космоса.
Влагосодержание снега, или эквивалент снеговой воды (SWE), является «Святым Граалем для многих гидрологов», - сказал Барт Форман, главный исследователь проекта и профессор Мэрилендского университета в Колледж-Парке. Когда снег тает, образующаяся лужа воды является его SWE.
В западных штатах США снег является основным источником питьевой воды, а снежная вода вносит основной вклад в производство гидроэлектроэнергии и сельское хозяйство.
Некоторые изменения характера снегопадов являются индикаторами изменения климата. Например, при более высоких температурах вода выпадает в виде дождя, а не снега. В результате некоторые горы не могут удерживать воду в виде снежного покрова, как раньше, а это означает, что дожди затапливают реки, а наводнения становятся более интенсивными. Когда сезон паводков заканчивается, засухи могут быть более сильными.
Новый подход Формана следует за усилиями НАСА по изучению SWE со спутников, самолетов и в полевых условиях. Спектрорадиометр визуализации среднего разрешения (MODIS) - это прибор на борту двух спутников, который ежедневно делает снимки Земли. MODIS может идентифицировать заснеженную землю и лед на озерах и крупных реках. Глобальная миссия по измерению осадков (GPM), международная группировка спутников, может наблюдать дождь и падающий снег по всему земному шару каждые два-три часа.
В дополнение к наблюдениям из космоса НАСА проводит кампанию под названием SnowEX. Кампания представляет собой пятилетнюю программу, которая включает в себя наблюдения с воздуха, а затем полевые работы, чтобы выявить то, чего не удается сделать с помощью спутников. SnowEX позволяет исследователям исследовать сложные ландшафты, которые сложно охарактеризовать из космоса. Кампания следующей зимы будет проводиться совместно с бортовой снежной обсерваторией, которая измеряет глубину и характеристики снежного покрова.
Важность снега и его воды
«Мы хотели бы иметь глобальную карту SWE», - сказал Эдвард Ким, научный сотрудник Центра космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд. Тем не менее, не существует единого метода, который может измерять SWE в глобальном масштабе, поскольку свойства снега различаются в зависимости от того, где он падает, сказал Ким. Он часто образует более глубокий слой в лесах, где он защищен от солнца, но сохраняет более мелкий профиль в тундре и прериях, где он подвергается воздействию ветра и более высоких температур.
Снег меняет свою форму, когда падает на поверхность, а затем продолжает изменяться на месте своего покоя. Его форма может определить, какой датчик способен его обнаружить, сказал Ким, добавляя еще одну сложность к оценке SWE.
Новый инструмент Формана и его команды определит наиболее эффективную комбинацию спутниковых датчиков для получения максимального количества данных. «Этот инструмент покажет нам, как разумно выбирать, как комбинировать датчики», - сказал Ким.
История о разных датчиках
Инструмент оценивает три различных типа датчиков околоземной орбиты: радар, радиометр и лидар.
Команда изучила информацию радара и радиометра от существующих датчиков, таких как радиометр Advanced Microwave Scanning Radiometer 2 (AMSR2). Датчик был запущен в рамках партнерства под руководством Японского агентства аэрокосмических исследований (JAXA) для улавливания микроволнового излучения с поверхности и атмосферы Земли. Он направлен на определение снежного покрова, температуры поверхности моря, влажности почвы и других факторов, имеющих решающее значение для понимания климата Земли.
Для радиолокационных наблюдений команда использовала данные со спутников Европейского космического агентства (ЕКА) Copernicus Sentinel 1A и 1B, которые наблюдают за поверхностью суши и океана.
В дополнение к радиолокационным и радиометрическим датчикам, которые в настоящее время контролируют снег из космоса, моделирование нового инструмента включает лидар; лидар летал на борту самолетов для измерения снега над определенными областями. Например, кампания SnowEx и бортовая снежная обсерватория НАСА используют лидар для определения глубины снежного покрова и SWE. «Мы можем помочь в изучении вопроса: что, если бы у нас была спутниковая миссия по наблюдению за снегом в космосе?» Форман сказал.
Суперкомпьютеров и спутников
«Для того, чтобы сделать все это, вы должны использовать суперкомпьютеры», - сказал Форман. В частности, суперкомпьютер Discover в Годдарде и кластер высокопроизводительных вычислений Deepthought2 в Университете Мэриленда.
После того, как данные с разных датчиков попадают в инструмент моделирования, команда может проводить эксперименты, включающие различные сценарии, например вывод спутника на одну орбиту вместо другой или получение спутником обзора широкой полосы по сравнению с узкой полосой земли. По словам Формана, с помощью этого набора экспериментов они могут сравнить, насколько хорошо работает определенная комбинация по сравнению с эталонным сценарием.
Как правило, чем больше спутников находится на орбите, тем качественнее будут данные ученых, сказал Форман. Однако «мы можем спросить, каков предельный выигрыш, если бы у нас был еще один радиометр?» Форман сказал.
Новый инструмент моделирования обнаружения снега поможет создать космическую стратегию наблюдения за снегом, чтобы лучше понять этот жизненно важный ресурс пресной воды. Симулятор будет использоваться, чтобы «продолжать задавать вопросы о том, что должно быть дальше и как мы должны планировать через 20 или более лет», - сказал Форман.
Этот новый инструмент моделирования снега финансируется Управлением технологий наук о Земле НАСА.