Верхние два дюйма верхнего слоя почвы на всех земных массивах содержат бесконечно малую часть воды планеты - менее одной тысячной процента. Тем не менее, из-за своего положения на границе между землей и атмосферой, это крошечное количество играет решающую роль во всем: от сельского хозяйства до погоды и климата и даже распространения болезней..
Поведение и динамику этого резервуара влаги было очень трудно измерить и проанализировать, поскольку измерения были медленными и трудоемкими.
Эта ситуация изменилась с запуском в 2015 году спутника НАСА под названием SMAP (активно-пассивное определение влажности почвы), предназначенного для всесторонних и частых измерений влажности верхнего слоя почвы в глобальном масштабе. Данные наблюдений SMAP за первый год уже проанализированы и преподносят некоторые важные сюрпризы, которые помогут в моделировании климата, прогнозировании погоды и мониторинге сельского хозяйства во всем мире.
Эти новые результаты представлены в журнале Nature Geosciences, в статье руководителя научной группы SMAP Дары Энтехаби, недавнего выпускника Массачусетского технологического института Кайгина МакКолла, доктора философии '16, и еще четырех человек. Энтехаби - профессор Лаборатории наук об окружающей среде и инженерии Ральфа М. Парсонса на факультете гражданской и экологической инженерии Массачусетского технологического института.
Наблюдения SMAP предоставляют беспрецедентный уровень подробной всемирной информации о количестве воды в верхних 2 дюймах (5 сантиметрах) почвы, собираемой во всем мире каждые два-три дня. Энтехаби говорит, что это важно, потому что этот тонкий слой является ключевой частью глобального круговорота воды на континентах, а также ключевым фактором в глобальных циклах энергии и углерода..
Осадки на суше и испарение этой влаги с земли «переносят большое количество энергии» между континентами и атмосферой, говорит Энтехаби, и климат Земли был бы совершенно другим без этого элемента. Океаны, содержащие 97 процентов воды Земли, играют важную роль в хранении и выделении тепла, но над сушей эта роль обеспечивается влагой в самом верхнем слое почвы, хотя и с помощью других механизмов. Эта влага «составляет крошечную, крошечную часть водного баланса, но она находится в очень критической зоне на поверхности земли и играет непропорционально важную роль в круговороте воды», - говорит он. «Он играет важную роль в смягчении климата в сезонных и годовых временных масштабах».
Понимание этих циклов благодаря новым данным может помочь сделать прогнозы погоды более точными в более длительных временных масштабах, что может стать важным благом для сельского хозяйства. По словам Энтехаби, несколько федеральных агентств уже начали использовать данные SMAP, например, для более точного прогнозирования засух и наводнений.
«Спутник предоставляет информацию о влажности поверхности почвы исключительного качества, что делает возможным этот анализ», - говорит он. По его словам, основная трехлетняя миссия спутника завершена примерно наполовину, но команда работает над подачей заявки на расширенную миссию, которая может длиться до десяти лет.
Одним из больших сюрпризов новых данных является то, что этот верхний слой почвы сохраняет «память» о погодных аномалиях в большей степени, чем это было предсказано теорией и более ранними, более редкими измерениями. Память относится к стойкости эффектов от необычно большого или малого количества осадков. Вопреки ожиданиям большинства исследователей оказывается, что эти эффекты сохраняются в течение нескольких дней, а не нескольких часов. В среднем около одной седьмой части выпадающего дождя все еще присутствует в самом верхнем слое почвы через три дня после его выпадения, и эта стойкость наиболее высока в самых засушливых регионах..
Данные также показывают значительный эффект обратной связи, который может усиливать последствия как засух, так и наводнений, говорит Энтехаби. Когда влага испаряется из влажной почвы, она в процессе охлаждает почву, но когда почва становится слишком сухой, охлаждение уменьшается, что может привести к более жаркой погоде и волнам тепла, которые расширяют и усугубляют условия засухи. Такие эффекты «предполагались, - говорит он, - но непосредственно не наблюдались».
Текущая миссия SMAP также предоставляет образовательные возможности, которые помогают проверять и калибровать спутниковые данные. С минимальным оборудованием студенты могут участвовать в практических занятиях по сбору данных, используя методы измерения, которые считаются золотым стандартом. Например, они могут взять образец почвы в фиксированном объеме, таком как банка из-под тунца, и взвесить его до и после высыхания. Разница между двумя весами дает точную меру содержания влаги в почве в этом объеме, которую можно сравнить с измерением влажности со спутника.
Даже юные студенты «могут проводить измерения в соответствии с «золотым стандартом», и все, что для этого нужно, - это кухонные весы и духовка», - говорит Энтехаби. «Но это очень трудоемко. Поэтому мы привлекли школы по всему миру для проведения этих измерений».