Nel 1889, vicino alla remota città di confine di Embudo, Nuovo Messico, John Wesley Powell, il famoso esploratore del Grand Canyon e secondo capo dell'U.S. Geological Survey, iniziò una tranquilla rivoluzione scientifica.

Sapeva che l'acqua sarebbe stata sempre più importante per il West americano, ma nessuno aveva sviluppato un modo per capire quanto era disponibile. Powell ha allestito un campo con 14 studenti, tre istruttori, due operai e un cuoco, e li ha incaricati di sviluppare il primo misuratore per misurare quanta acqua scorre attraverso un fiume degli Stati Uniti.

Con il loro successo, era possibile sapere quanta acqua si poteva prelevare dal Rio Grande per l'irrigazione senza che diventasse impraticabile o, peggio, asciugandosi del tutto.

Più di un secolo dopo, l'USGS opera più di 10, 000 misuratori di corrente in tutto il paese. Sono notevolmente simili a quel primo indicatore Embudo. Altri paesi ne operano migliaia in più.

Oggi, gli idrologi come me usano la rete di misuratori di corrente, insieme a reti altrettanto vaste di sensori che misurano le precipitazioni, umidità del suolo, altezza della neve e altre parti del ciclo dell'acqua. Questi strumenti aiutano a mostrare quanta acqua è disponibile per le persone e gli ecosistemi e come si sposta da un luogo all'altro.

Muoversi nello spazio

Negli ultimi 30 anni, l'idrologia si è imbattuta in un problema appiccicoso. Semplicemente non ci sono abbastanza sensori per le domande a cui gli idrologi vogliono rispondere.

Provare, Per esempio, per misurare la quantità di neve immagazzinata in una catena montuosa come la Sierra Nevada in California. Quest'acqua è una risorsa fondamentale per lo stato. La Sierra Nevada contiene circa 130 "cuscini di neve" che misurano la quantità di acqua immagazzinata nella neve direttamente sopra di loro. Ma l'area misurata dai sensori è qualcosa come 2 milionesimi di punto percentuale dell'area totale della Sierra.

Se provi a calcolare l'acqua totale immagazzinata nelle Sierras, ti imbatti in un muro metodologico. Non c'è un buon modo per arrivarci direttamente.

Questo tipo di problema si manifesta in tutta l'idrologia, dalla neve all'umidità del suolo e dai fiumi ai bacini idrici. Sebbene l'emissione di più sensori sia un'opzione, sono costosi da mantenere, ed è impossibile mettere fuori abbastanza per misurare un'intera catena montuosa. Un'opzione migliore sarebbe misurare grandi aree tutte in una volta.

A partire da circa due decenni fa, un piccolo gruppo di scienziati ha suggerito una nuova soluzione:e se potessero misurare il ciclo dell'acqua dallo spazio?

Jay Famiglietti dell'Università del Saskatchewan era uno di questi scienziati. Gran parte del lavoro di Famiglietti ha utilizzato la missione Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE), una coppia di satelliti lanciati nel 2002. I satelliti, soprannominato Tom e Jerry, si rincorrono intorno al pianeta e usano piccole variazioni nella distanza tra loro per misurare i cambiamenti nella gravità terrestre. Molte di queste variazioni derivano dal movimento dell'acqua. GRACE tiene traccia dei cambiamenti nello stoccaggio totale dell'acqua nelle acque sotterranee, la superficie e l'atmosfera.

"[GRACE] dipinge un quadro avvincente, perché ci permette di vedere l'impronta digitale umana sulla disponibilità di acqua, e l'impatto del cambiamento climatico sulla disponibilità di acqua, " Mi ha detto Famiglietti. Alcuni dei suoi lavori con GRACE hanno mostrato profonde perdite di acque sotterranee nel nord dell'India, il Medio Oriente e altri luoghi che potrebbero essere vulnerabili a future carenze idriche. La coppia originale di satelliti GRACE è andata offline nel 2017, ma una nuova coppia è stata lanciata l'anno successivo.

Un'età d'oro

Altri satelliti progettati per misurare parti specifiche del ciclo dell'acqua sono entrati in funzione all'incirca nello stesso periodo di GRACE, sebbene avessero alcune limitazioni.

IceSAT, attivo dal 2003 al 2009, misurato la mutevole forma dei ghiacciai e delle calotte glaciali, ma i suoi laser avevano alcuni problemi tecnici che ne limitavano la durata. La missione di misurazione delle precipitazioni tropicali ha fornito dati sulle precipitazioni a basse latitudini, ma ha funzionato male per la neve e le regioni con forti temporali. Gli scienziati hanno escogitato modi migliori per utilizzare i dati dei sensori a microonde passivi, alcuni dei quali erano già in orbita, stimare l'umidità del suolo, ma fornivano dati solo su scale relativamente grossolane.

A partire dal 2014, una nuova generazione di satelliti ha offerto miglioramenti. La missione globale delle precipitazioni, una costellazione di satelliti, è sostanzialmente migliorato su TRMM.IceSAT-2, che la NASA ha lanciato nel 2018, ha laser molto migliori del suo predecessore. Le missioni dedicate all'umidità del suolo lanciate dall'Agenzia spaziale europea e dalla NASA offrono misurazioni più calibrate rispetto ai sensori del passato.

Faccio parte di un team internazionale che lancerà il primo progetto dedicato alla misurazione delle risorse idriche più facilmente accessibili della Terra:fiumi e laghi. La missione Surface Water and Ocean Topography (SWOT) è un sensore attivo che, a partire dal 2021, invierà impulsi radar sulla Terra e misurerà quanto tempo impiegano per tornare al satellite. Attraverso algoritmi finemente sintonizzati, SWOT misurerà i cambiamenti nella quantità di acqua immagazzinata in milioni di laghi e bacini idrici in tutto il mondo e stimerà, dallo spazio, la quantità di acqua che scorre attraverso la maggior parte dei principali fiumi del mondo.

Con tutti questi satelliti, gli idrologi saranno in grado di tracciare molte singole parti del ciclo dell'acqua utilizzando osservazioni dallo spazio. La prossima sfida sarà mettere insieme tutte queste misurazioni in modo coerente. Ogni satellite ha le sue idiosincrasie. Gli scienziati stanno lavorando per integrare tutti i loro dati passati e presenti con simulazioni al computer del ciclo dell'acqua terrestre.

Insieme, queste osservazioni possono aiutare a prevedere meglio la siccità, monitorare le inondazioni e informare il mondo su come il cambiamento climatico sta alterando l'accesso alle risorse idriche. Per esempio, una serie di satelliti ha mostrato che i bacini senza sbocco sul mare del mondo, già tra i luoghi più aridi della Terra, in particolare il Lago d'Aral in Asia centrale, stanno perdendo rapidamente acqua.

Le agenzie spaziali stanno anche progettando nuove missioni per coprire parti del ciclo dell'acqua che gli attuali satelliti non possono ancora osservare adeguatamente, come il manto nevoso della Sierra Nevada. Anche la stima dell'evaporazione rimane una vera sfida. I metodi attuali producono modelli globali molto diversi, and the path toward new solutions for reliably estimating evaporation from space remains uncertain.

Satellites have gone from curios on the sidelines of hydrology to central players in understanding the global water cycle. When John Wesley Powell sent 20-odd members of the new USGS to the banks of the Rio Grande, he likely couldn't have imagined that, 130 years later, water scientists like me would be following in his footsteps using satellites orbiting hundreds of miles overhead.

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.