Con il ritorno delle temperature primaverili ed estive nell'emisfero settentrionale, la neve d'inverno si sta sciogliendo, rilasciando preziosa acqua dolce nei corsi d'acqua della Terra, fiumi e oceani. Questo cambio annuale fornisce acqua liquida da bere, agricoltura ed energia idroelettrica per oltre un miliardo di persone in tutto il mondo. Nel futuro, La NASA prevede di utilizzare una missione satellitare per misurare quanta acqua contiene il manto nevoso invernale del mondo, e per farlo, hanno bisogno di sapere quale combinazione di strumenti e tecniche misurerà in modo efficiente queste informazioni dallo spazio.

Insieme per misurare l'acqua della neve

Equivalente in acqua della neve, o SWE (pronunciato "tesoro"), è quanta acqua liquida c'è in un volume di neve una volta che si scioglie, e si deduce dalla profondità e dalla densità.

"Le profondità sono semplici da misurare, tuttavia le profondità spesso variano notevolmente da un luogo all'altro e ciò richiede molte misurazioni in luoghi diversi per ottenere una buona stima, " ha detto Chris Hiemstra, un ricercatore a Fairbanks, Alaska, con l'US Army Corps of Engineers' Cold Regions Research and Engineering Laboratory (CRREL).

"La densità è più impegnativa perché cambia con l'età della neve e le condizioni locali. Ad esempio, la nevicata fresca e fredda è leggera e ariosa, con solo il 5-10% di acqua in scaglie puoi muoverti con un respiro leggero. In condizioni di manto nevoso più caldo sul terreno, i fiocchi di neve trasportati dalle nuvole si fondono e si trasformano in grani rotondi più grandi e di maggiore densità. Con vento, la neve è soffiata, rotto e impacchettato in cumuli, ma anche allora, è solo il 40-50% di acqua. La variabilità in profondità e densità rende SWE difficile da mappare."

La neve bagnata che cade a temperature intorno allo zero (32 gradi) ha in genere una densità di circa 8-10 pollici di neve pari a 1 pollice di SWE. In altre parole, ci vorrebbero circa 8-10 pollici di neve bagnata a temperature gelide per ottenere 1 pollice di acqua sciolta. In contrasto, neve che cade a temperature più fredde, intorno a -4 gradi, è molto meno denso:per ottenere 1 pollice di acqua sciolta dalla neve in queste condizioni, potresti averne bisogno fino a 20 pollici.

Le attuali missioni satellitari misurano facilmente quanta parte della terra è coperta dalla neve. Ma nessun singolo satellite attualmente in orbita contiene uno strumento o una raccolta di strumenti progettati per misurare SWE e/o le caratteristiche della neve che possono essere utilizzati per calcolarlo.

Per il periodo di funzionamento intensivo di SnowEx 2020, tre estenuanti settimane di raccolta dati in un unico sito, scienziati di tutto il mondo si sono recati a Grand Mesa, Colorado. È la mesa più grande del mondo, o montagna dalla cima piatta, e alle 11, 000 piedi sopra il livello del mare, gli inverni sono lunghi e la neve può essere profonda. La sua elevata superficie piana e la varietà di copertura del suolo, dai prati ampi alle fitte foreste, lo rendono perfetto per testare gli strumenti in diverse condizioni.

Attraverso il freddo pungente, sole abbagliante, forti nevicate e forti venti, la squadra a terra ha scavato, campionate e riempite più di 150 buche di neve:buche nella neve delle dimensioni di un'auto che si estendono fino al suolo, permettendo loro di prendere le misure delle pareti della fossa e vedere come le caratteristiche della neve variano dall'alto verso il basso. Altri membri del team hanno utilizzato le sonde per misurare quasi 38, 000 altezze della neve durante le tre settimane mentre si scia o si fa una ciaspolata in un'area delle dimensioni di un campo da calcio intorno ai box.

La campagna SnowEx della NASA è uno sforzo pluriennale che utilizza una varietà di tecniche per studiare le caratteristiche della neve, e il team ha completato la sua seconda campagna sul campo nel marzo 2020. SnowEx sta imparando preziose informazioni su come le proprietà della neve cambiano in base al terreno e nel tempo, e stanno anche studiando gli strumenti, set di dati, e le tecniche di cui la NASA avrà bisogno per campionare la neve dallo spazio.

"La campagna SnowEx di questo inverno ha raccolto dati preziosi per valutare più tecniche di rilevamento della neve. Non sarebbe stato possibile senza il duro lavoro e il supporto di tutti i partecipanti e i partner che hanno aiutato, " ha detto Carrie Vuyovich, Vice scienziato del progetto SnowEx 2020, scienziato capo del programma di idrologia terrestre della NASA e scienziato fisico presso il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland.

"Possiamo vedere, e anche ascoltare, come cambiano le caratteristiche della neve dall'alto verso il basso, " disse Hiemstra. "La neve più recente in cima è soffice e tranquilla. Al di sotto di questo, il vento l'ha impacchettata in strati densi che raschiano sulla pala. La neve verso il basso è sciolta e ha bordi appuntiti e affilati. Quando ci scavi dentro, le punte ghiacciate si spezzano e risuonano mentre cadono contro la pala."

Gli addetti ai box hanno anche misurato il contenuto di acqua della neve, temperatura, riflettanza e granulometria. I ricercatori hanno utilizzato strumenti portatili per misurare la durezza della neve, microstruttura e profondità intorno alle fosse. "Una sfida con queste osservazioni puntuali è il confronto con le osservazioni aeree e spaziali, che hanno impronte dell'ordine di decine o migliaia di metri, "ha detto HP Marshall, professore associato alla Boise State University, Idaho, un ricercatore con CRREL e scienziato del progetto SnowEx 2020.

Per comprendere la variabilità delle proprietà della neve all'interno di queste impronte di telerilevamento più grandi, il team ha guidato le motoslitte in spirali precise per raccogliere misurazioni radar attive e passive degli strati di neve, profondità e contenuto idrico, con un campionamento più continuo.

"Quando guardi i dati mappati attraverso la mesa, è incredibile quanta area abbiamo coperto. Ci sono modelli spaziali interessanti nei dati sulla profondità della neve, dove la neve profonda si forma proprio lungo i bordi delle aree boschive, " ha detto Vuyovich. "C'è una profondità di neve minore tra gli alberi ed è media all'aperto. Questa eterogeneità dell'altezza della neve è dovuta principalmente alla ridistribuzione del vento e dimostra davvero perché abbiamo bisogno di così tante osservazioni per convalidare le osservazioni del telerilevamento e testare i nostri modelli".

Mentre le squadre di terra lavoravano sulla neve, le squadre aviotrasportate hanno volato sopra linee di volo di precisione trasportando combinazioni di strumenti che hanno effettuato misurazioni simili:radar e lidar (rilevamento e distanza della luce) per la profondità della neve, radar a microonde e radiometri per SWE, fotocamere ottiche per fotografare la superficie, radiometri a infrarossi per misurare la temperatura superficiale e imager iperspettrali per documentare il manto nevoso e la composizione. Uno dei sette strumenti è stato sviluppato e costruito presso la NASA Goddard:The Snow Water Equivalent Synthetic Aperture Radar and Radiometer, o SWESARR. Un altro radar, il radar ad apertura sintetica del veicolo aereo disabitato, o UAVSAR, proveniva dal Jet Propulsion Laboratory della NASA.

Le squadre hanno anche approfittato dei cavalcavia di diversi satelliti della NASA, tra cui ICESat-2 e la missione Sentinel NASA/Agenzia spaziale europea, per raccogliere ulteriori dati da confrontare. Torna a terra, Vuyovich e il suo team hanno eseguito una serie di modelli di computer da confrontare con i dati raccolti in seguito, e vedere come si sono confrontati e potrebbero essere combinati per analisi future.

"Il periodo al Grand Mesa è andato così bene, " ha detto Marshall. "L'intero equipaggio di campo di 44 persone ha lavorato incredibilmente duramente, e in particolare, molti degli studenti più giovani si sono davvero fatti avanti. Sono entusiasta della nostra nuova generazione di scienziati della neve:faranno grandi cose".

Un DHC-6 Twin Otter siede sulla pista sotto un cielo nuvoloso

Il coordinamento di strumenti nuovi e maturi in una varietà di condizioni e luoghi è stato impegnativo, ha detto Marshall.

"Per una campagna aerea di neve stagionale, SnowEx 2020 è unico in quanto abbiamo pilotato con successo così tanti strumenti nella stessa posizione, coordinato con ampie osservazioni sul campo, " ha detto. "Utilizzare questi set di dati insieme sarà davvero emozionante. Ci vorrà molta strada verso una migliore comprensione di come sviluppare un prodotto SWE globale che combini i dati di più satelliti, dati sul campo e modellazione."

Come la neve si scioglie e si bagna in primavera, diventa più difficile da misurare. Da dicembre 2019 a marzo 2020, squadre locali più piccole hanno effettuato misurazioni settimanali del terreno e rilevamenti bimestrali dell'aria in 13 siti che abbracciano diversi climi di neve, in cinque diversi stati degli Stati Uniti occidentali.

Anche se la campagna si è conclusa in anticipo a causa della pandemia di coronavirus, l'ampia varietà di siti di campionamento del team ha fornito loro dati sufficienti per convalidare e analizzare, dissero Vuyovich e Marshall. Durante ogni sorvolo, i team di ogni sito hanno misurato e inserito i dati nel sistema del National Snow and Ice Data Center progettato per SnowEx, and both scientists conducted regular check-in calls via videoconferencing.

"There were definitely challenges in remotely managing such a large campaign, but it was a great learning experience, " Vuyovich said. "This kind of campaign is valuable, so knowing what worked and didn't work has helped us talk about future years and how we might structure things differently."

The team's next step is to process and freely distribute the millions of data points they collected at Grand Mesa and during the time series, and they expect to begin finding results later in the year, said Marshall. "This large dataset will be used to help design a future spaceborne approach to mapping SWE globally, using a combination of ground observations, models, and satellite measurements. The SnowEx 2020 data will provide information to allow us to explore tradeoffs in cost, complexity and accuracy."