NASA bygger nye værktøjer til at håndtere vand, efterhånden som klimafarerne vokser

Stuart Rankin

Efter en usædvanlig tør vinter, en sensæsonstorm endelig gennemblødt Californien i begyndelsen af ​​marts, og hobede flere meter sne op over de høje granitreservoirer i Sierra Nevada-bjergene.

Søndag morgen, efter at vejret var klaret, lastede et par NASA-forskere på et lille fly i Mammoth Yosemite Airport, en operation med en enkelt landingsbane, der strækker sig ud før pyramidetoppen af ​​Mount Morrison.

Efter afsluttende sikkerhedstjek lettede piloterne og markerede Airborne Snow Observatorys første flyvning af sæsonen. ASO er en dobbelt-turboprop Beechcraft King Air 90, udstyret med et par sensorer, der peger gennem en glasudskæring i bunden af ​​flyet. Lidar'en måler bjergets snepakkes volumen, mens et spektrometer måler dens reflektionsevne og giver tilsammen et meget nøjagtigt estimat af, hvor meget vand der vil løbe fra bjerget om foråret, og hvornår det vil strømme gennem Californiens væld af dæmninger, reservoirer og akvædukter.

Dataene giver vandmyndigheder mulighed for mere omhyggeligt at styre de vandopladningsvandkraftværker, fodre byer og nære en af ​​USA's mest produktive landbrugsregioner. At udføre det arbejde godt er blevet mere og mere kritisk, da staten skiftevis kæmper med langvarig tørke og udbredt oversvømmelse da klimaændringer ser ud til at forværre sæsonbestemt volatilitet.

Du kan ikke styre det, du ikke kan måle, siger Thomas Painter, hovedefterforsker med ASO-programmet, der styres af NASAs Jet Propulsion Lab i Pasadena.

Thomas Painter, hovedefterforsker med NASAs Airborne Snow Observatory-program, står foran San Joaquin vandskel. James tempel

Klima piskesmæld

Sierra Nevada strækker sig 400 miles langs Californiens sydøstlige grænse. Hvert år leverer dens smeltende snepakke op til en tredjedel af statens vand.

At administrere den ressource er en vanskelig opgave. Reservoiroperatører er nødt til at lukke nok ud til at undgå oversvømmelser, opretholde fisk og økosystemer, genoplade grundvandet og forsyne byer og industrier. Men de skal også holde fast nok til at opfylde behovene hos landmænd, virksomheder og beboere gennem de tørre sommermåneder.

ASO-programmet begyndte sine sneundersøgelser i foråret 2013, da en ødelæggende tørke greb Californien. Den historiske tørre periode fremtvang obligatoriske vandrestriktioner, dømte mere end hundrede millioner træer, forværrede skovbrande og pressede profitten fra statens massive landbrugsindustri. Så gik det brat i stå i vinteren 2016-2017, da en række storme dumpede næsten 95 tommer regn i nogle dele af Sierra, hvilket markerer Californiens næstvådeste år nogensinde.

Denne form for klimapiskesmæld kan blive op til dobbelt så almindelig i staten, drevet af stigende temperaturer, stigende atmosfærisk vanddamp og andre klimatiske skift, ifølge en april papir i Natur klimaændringer . Engangs 200-års oversvømmelser kunne forekomme hvert 40. år i midten af ​​århundredet, fandt forfatterne.

Den samlede nedbør ændrer sig måske ikke meget i gennemsnit på tværs af disse skarpe skift mellem meget tørre og meget våde år, men det skyller ikke bare ud til sidst, siger Daniel Swain, hovedforfatter af undersøgelsen og klimaforsker ved University of California, Los Angeles. Du har alle ulemperne ved våde år og tørkeår. Du har flere af risiciene og færre af fordelene ved det vand.

Midt i en sådan turbulens vil det fremsyn, som NASA ASO-programmet kan give til skiftende snepakningsforhold, være afgørende for at håndtere vand i et system designet til fortidens klima, siger Swain.

I våde år hjælper programmet reservoiroperatører med at forhindre, at vand overvælder bassinerne og oversvømmer nedstrøms samfund. I tørre år gør dataene dem i stand til at udnytte begrænsede forsyninger mere effektivt. For Friant Water Authority, som administrerer en dæmning og kanaler, der fodrer en million acres af Central Valley landbrugsjord, betyder det, at man skal sætte mere af vandet i gang med at dyrke statens frugter og grøntsager, siger Jeff Payne, den offentlige agenturs direktør for vandpolitik.

Bouncende lasere

Efter at have nået den stejle, østlige side af rækken, nåede flyet en strækning i høj højde af San Joaquin-bassinet, som opbevarer vand i sin frosne form lige indtil de tusindvis af Friant-distriktets gårde har brug for det hvert forår.

Dan Berisford, en skægget 38-årig NASA-teknolog iført en strikbeanie og spejlsolbriller, sad på venstre bagerste sæde foran lidar-skærmen. Han drejede på en kontakt, der igangsatte dataindsamling fra sensoren.

Flyet skar en plæneklippersti over terrænet og dækkede lange linjer, før de bakkede 180 grader. Lidaren udsender pulserende laserstråler hundredtusindvis af gange i sekundet og fejer sideværts hen over landskabet. Ved at måle den tid, det tager for lyset at reflektere fra overfladen og vende tilbage til sensoren, er enhedens software i stand til at plotte et 3D-kort af sneoverfladen. Ved at kombinere denne information med tidligere observationer er forskerne i stand til at beregne sne-vandsækvivalenten eller den samlede mængde vand, der er lagret i vandskellet på det tidspunkt.

Berisfords hovedopgave på flyet er kvalitetskontrol, at holde øje med tegn på, at lyset preller af skyer eller luftfugtighed.

NASAs Airborne Snow Observatory, en Beechcraft King Air 90, i Mammoth Yosemite Lufthavn. james tempel

Spektrometret kører på samme tid. Det er i bund og grund et kamera, men et, der kan registrere lys langt ud over det menneskelige øjes rækkevidde. Det bestemmer, hvor meget af det sollys, der rammer sneen, der reflekteres fra overfladen.

Frisk sne er meget reflekterende, hvilket bremser smeltningen og hjælper med at kaste varmen tilbage i atmosfæren. Men snepakken bliver støt mindre reflekterende, efterhånden som iskrystallerne smelter sammen og vokser, og luftforurening og storme fylder markerne med mørke sugende pletter i form af støv og sod.

At bestemme skiftende reflekterende niveauer hjælper holdet med at beregne, hvor hurtigt sneen vil smelte, og hvornår den i sidste ende vil nå nedstrøms reservoirer, siger Berisford.

Mest nøjagtige

Californiere har forsøgt at måle Sierra-sneposen nøjagtigt i mere end et århundrede. Hver vinter sender California Department of Water Resources landmålere på langrendski og snesko til hundredvis af udpegede steder, hvor de kaster aluminiumsmålerør dybt ned i sneen. Disse data er suppleret med mere end hundrede fjernsensorstationer placeret i hele området, hvor snepuder giver estimater baseret på den skiftende vægt af sne over dem.

Men disse øjebliksbilleder giver ofte ikke et nøjagtigt billede af disse vidtstrakte højbjergvandsområder. I nogle år kan den anslåede mængde vand, der i sidste ende når reservoirer som Hetch Hetchy-systemet, der betjener næsten tre millioner kunder omkring San Francisco, være så meget som 40 procent. Det er et plus eller minus af titusinder af milliarder af liter vand.

Men efter fem års drift, gennem meget våde, meget tørre og gennemsnitlige år, er NASA-programmets fejlrate i gennemsnit omkring 2 procent, siger Painter.

Det er den mest nøjagtige undersøgelse af snepakning, der nogensinde er lavet, siger han.

Måling fra rummet

Hidtil har NASA ASO-programmet, som går fra en pilot- til en operationel fase, kun dækket omkring en tredjedel af Sierra. Men NASA, Californiens afdeling for vandressourcer og flere vanddistrikter gør sagen om at udvide det til hele Californien. Det ville kræve yderligere fly, faciliteter og flere millioner i årlig finansiering. Repræsentanter for Friant Water Authority og andre vanddistrikter har været i drøftelser med lovgivere om at afsætte penge til programmet.

Painter siger, at NASA også er i diskussioner om at etablere lignende indsatser i Columbia-bassinet, der strækker sig gennem Oregon, Washington og Canada, og Colorado River Basin, hvor de også har udført tidlige undersøgelsesflyvninger.

Relateret historie

Relateret historie Lawrence Livermore Labs stadig mere kraftfulde klimamodeller har lydt en skarp advarsel for Californien.

NASAs ultimative mål er langt højere. Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, har udført en række tests på de snedækkede bjerge og plateauer omkring Grand Mesa, Colorado. Formålet med det flerårige forskningsprojekt, kendt som SnowEx , er at bestemme, hvilken kombination af sensorer og teknikker, der vil gøre det muligt for NASA at måle sne-vandsækvivalent fra rummet.

Som det står, kan nuværende satellitter kun bestemme omfanget af sne på tværs af kontinenterne, ikke mængden af ​​vand, den indeholder.

Indsatsen kan hjælpe andre regioner rundt om i verden, der kæmper med de samme slags vandudfordringer og usikkerheder som Californien. Det kunne også give data om planetens skiftende reflektionsevne, når temperaturerne stiger og mindre sne akkumuleres, hvilket giver indsigt i en afgørende feedback-mekanisme for klimaændringer.

Vi har brug for en satellitmission, der kan måle sne globalt, har Charles Gatebe, viceprojektforsker for SnowEx, sagt. Vi leder efter værktøjerne.

Svært at tilpasse

Men i sidste ende kan mere og bedre information kun gøre så meget.

Hvis nedbørsmønstrene ændrer sig så meget, som Swains undersøgelse forudsiger, vil situationen kræve langt større ændringer i Californiens vandinfrastruktur og -praksis. Og det er svært at tilpasse sig en ny normal, når den nye normal er volatilitet.

Nogle hævder især, at flere og værre tørker vil kræve, at staten bygger yderligere reservoirer. Men den samme foranstaltning ville forværre risikoen for oversvømmelser i våde år, da kraftig regn oversvømmer bassinerne.

Andre californiske vandforvaltningseksperter mener, at staten bliver nødt til at udvikle et meget mere fleksibelt system ved at læne sig mere tungt på naturlige flodsletter og grundvandsmagasiner i stedet for menneskeskabte reservoirer. Det vil kræve en helt anden infrastruktur, sandsynligvis inklusive diger, rørledninger og kanaler, for at beskytte samfund og transportere vand.

Det kan være den mest lovende måde at mindske risikoen på, siger Swain. Men helt ærligt, det bliver en hård udfordring. Det bliver svært at tilpasse sig.

skjule