I primi 2 pollici di terriccio su tutte le masse continentali della Terra contengono una frazione infinitesimale dell'acqua del pianeta, meno di un millesimo di punto percentuale. Tuttavia, a causa della sua posizione all'interfaccia tra la terra e l'atmosfera, quella piccola quantità gioca un ruolo cruciale in tutto, dall'agricoltura al tempo e al clima, e persino la diffusione della malattia.

Il comportamento e la dinamica di questo serbatoio di umidità sono stati molto difficili da quantificare e analizzare, però, perché le misurazioni sono state lente e laboriose da eseguire.

La situazione è cambiata con il lancio nel 2015 di un satellite della NASA chiamato SMAP (Soil Moisture Active Passive), progettato per fornire misurazioni globali e frequenti dell'umidità in quello strato superiore del suolo. Il primo anno di dati osservativi di SMAP è stato ora analizzato e sta fornendo alcune sorprese significative che aiuteranno nella modellazione del clima, previsioni del tempo, e monitoraggio dell'agricoltura nel mondo.

Questi nuovi risultati sono riportati sulla rivista Geoscienze naturali , in un articolo del leader dello SMAP Science Team Dara Entekhabi, neolaureato al MIT Kaighin McColl PhD '16, e altri quattro. Entekhabi è professore presso il Ralph M. Parsons Laboratory for Environmental Science and Engineering presso il Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale del MIT.

Le osservazioni SMAP stanno fornendo un livello senza precedenti di dettagli, informazioni in tutto il mondo sulla quantità di acqua in quei primi 2 pollici (5 centimetri) di suolo, raccolti globalmente ogni due o tre giorni. Entekhabi afferma che questo è importante perché questo strato sottile è una parte fondamentale del ciclo globale dell'acqua nei continenti, e anche un fattore chiave nei cicli globali dell'energia e del carbonio.

Precipitazioni a terra, e l'evaporazione di quell'umidità dalla terra, "trasferisce grandi quantità di energia" tra i continenti e l'atmosfera, Entekhabi dice, e il clima della Terra sarebbe drasticamente diverso senza questo elemento. Gli oceani, contenente il 97 percento dell'acqua terrestre, svolgono un ruolo importante nell'immagazzinare e rilasciare il calore, ma sulla terra quel ruolo è fornito dall'umidità nello strato più alto del suolo, anche se attraverso meccanismi diversi. Quell'umidità "è un minuscolo, piccola frazione del bilancio idrico, ma si trova in una zona molto critica sulla superficie del terreno, e svolge un ruolo sproporzionatamente critico nel ciclo dell'acqua, " dice. "Svolge un ruolo significativo nella moderazione del clima, su scadenze stagionali e annuali”.

Comprendere meglio questi cicli, grazie ai nuovi dati, potrebbe aiutare a rendere le previsioni meteorologiche più accurate su tempi più lunghi, che potrebbe essere un vantaggio importante per l'agricoltura. Diverse agenzie federali hanno già iniziato a utilizzare i dati SMAP, Entekhabi dice, Per esempio, per contribuire a rendere più accurata la previsione delle condizioni di siccità e inondazione.

"Il satellite fornisce una qualità straordinaria di informazioni sull'umidità del suolo superficiale che rende possibile questa analisi, " dice. La missione primaria del satellite di tre anni è circa a metà, lui dice, ma il team sta lavorando per richiedere una missione estesa che potrebbe durare fino a un decennio.

Una delle grandi sorprese dei nuovi dati è che questo livello superiore del suolo conserva una "memoria" per le anomalie meteorologiche, più di quanto fosse stato previsto dalla teoria e in precedenza, misurazioni più scarse. La memoria si riferisce alla persistenza degli effetti di quantità di pioggia insolitamente alte o basse. Contrariamente alle aspettative della maggior parte dei ricercatori, si scopre che questi effetti persistono per una questione di giorni, piuttosto che poche ore. In media, circa un settimo della quantità di pioggia che cade è ancora presente nello strato più superficiale del suolo tre giorni dopo la caduta, e questa persistenza è maggiore nelle regioni più aride.

I dati mostrano anche un significativo effetto di feedback che può amplificare gli effetti sia della siccità che delle inondazioni, Entekhabi dice. Quando l'umidità evapora dal terreno umido, raffredda il terreno nel processo, ma quando il terreno diventa troppo secco quel raffreddamento diminuisce, che possono portare a condizioni climatiche più calde e ondate di calore che estendono e aggravano le condizioni di siccità. Tali effetti "erano stati ipotizzati, " lui dice, "ma non era stato osservato direttamente."

La missione SMAP in corso offre anche opportunità educative che aiutano a verificare e calibrare i dati satellitari. Con attrezzature minime, gli studenti possono partecipare a lezioni pratiche di raccolta dati, utilizzando metodi di misurazione considerati il ​​gold standard. Per esempio, possono raccogliere un campione di terreno in un volume fisso come una scatoletta di tonno, e pesarlo prima e dopo averlo asciugato. La differenza tra i due pesi dà una misura precisa del contenuto di umidità del suolo in quel volume, che può essere confrontato con la misurazione dell'umidità del satellite.

Anche i giovani studenti "possono effettuare misurazioni 'gold standard', e basta una bilancia da cucina e un forno, " Entekhabi dice. "Ma è molto laborioso. Quindi ci siamo impegnati con le scuole di tutto il mondo per eseguire queste misurazioni".