A medida que las temperaturas de primavera y verano regresan al hemisferio norte, la nieve del invierno se está derritiendo, liberando agua dulce preciosa en los arroyos de la Tierra, ríos y océanos. Este cambio anual proporciona agua líquida para beber, agricultura y energía hidroeléctrica para más de mil millones de personas en todo el mundo. En el futuro, La NASA planea usar una misión satelital para medir cuánta agua contiene la capa de nieve invernal del mundo. y para hacer eso, necesitan saber qué combinación de instrumentos y técnicas medirán eficientemente esta información desde el espacio.

Juntos para medir el agua de la nieve

Equivalente de agua de nieve, o SWE (pronunciado "swee"), es la cantidad de agua líquida que hay en un volumen de nieve una vez que se derrite, y se deduce de la profundidad y la densidad.

"Las profundidades son fáciles de medir, Sin embargo, las profundidades a menudo varían mucho de un lugar a otro y eso requiere muchas mediciones en diferentes lugares para obtener una buena estimación. "dijo Chris Hiemstra, un investigador en Fairbanks, Alaska, con el Laboratorio de Ingeniería e Investigación de Regiones Frías del Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los EE. UU. (CRREL).

"La densidad es más desafiante porque cambia con la edad de la nieve y las condiciones locales. Como ejemplo, las nevadas frescas y frías son ligeras y aireadas, con solo un 5-10% de agua en escamas, puede moverse con una ligera respiración. En condiciones de manto de nieve más cálidas en el suelo, los copos de nieve transportados por las nubes se fusionan y cambian a granos redondos adheridos más grandes de mayor densidad. Con viento se sopla la nieve, roto y empaquetado en montones, pero aún así, es solo 40-50% de agua. La variabilidad en las profundidades y densidades hace que el mapa de SWE sea un desafío ".

La nieve húmeda que cae a temperaturas cercanas al punto de congelación (32 grados) generalmente tiene una densidad de aproximadamente 8 a 10 pulgadas de nieve que equivale a 1 pulgada de SWE. En otras palabras, se necesitarían entre 8 y 10 pulgadas de nieve húmeda a temperaturas bajo cero para obtener 1 pulgada de agua derretida. A diferencia de, nieve que cae a temperaturas más frías, alrededor de -4 grados, es mucho menos denso:para obtener 1 pulgada de agua derretida de la nieve en estas condiciones, es posible que necesite hasta 20 pulgadas.

Las misiones de satélites actuales miden fácilmente la cantidad de tierra cubierta por la nieve. Pero ningún satélite actualmente en órbita contiene un instrumento o una colección de instrumentos diseñados para medir el SWE y / o las características de la nieve que pueden usarse para calcularlo.

Para el período de funcionamiento intensivo de SnowEx 2020, tres agotadoras semanas de recopilación de datos en un sitio, científicos de todo el mundo viajaron a Grand Mesa, Colorado. Es la meseta más grande del mundo, o montaña de cima plana, y a las 11, 000 pies sobre el nivel del mar, los inviernos son largos y la nieve puede ser profunda. Su alta superficie plana y la variedad de cobertura terrestre, desde prados abiertos hasta bosques densos, lo hacen perfecto para probar instrumentos en diferentes condiciones.

A través de un frío mordaz sol deslumbrante, fuertes nevadas y fuertes vientos, el equipo de tierra cavó, muestrearon y rellenaron más de 150 pozos de nieve:agujeros del tamaño de un automóvil en la nieve que se extienden hasta el suelo, permitiéndoles tomar medidas de las paredes del pozo y ver cómo las características de la nieve varían de arriba a abajo. Otros miembros del equipo utilizaron sondas para medir casi 38, 000 profundidades de nieve durante las tres semanas mientras esquiaba o caminaba con raquetas de nieve en un área del tamaño de un campo de fútbol alrededor de los boxes.

La campaña SnowEx de la NASA es un esfuerzo de varios años que utiliza una variedad de técnicas para estudiar las características de la nieve, y el equipo completó su segunda campaña de campo en marzo de 2020. SnowEx está obteniendo información valiosa sobre cómo las propiedades de la nieve cambian según el terreno y con el tiempo. y también están investigando las herramientas, conjuntos de datos, y técnicas que la NASA necesitará para tomar muestras de nieve del espacio.

"La campaña SnowEx de este invierno recopiló datos valiosos para evaluar múltiples técnicas de detección remota de nieve. No hubiera sido posible sin el arduo trabajo y el apoyo de todos los participantes y socios que ayudaron, "dijo Carrie Vuyovich, Científico adjunto del proyecto SnowEx 2020, científico principal del programa Terrestrial Hydrology Snow de la NASA y científico físico en el Goddard Space Flight Center de la NASA en Greenbelt, Maryland.

"Podemos ver, e incluso escuchar, cómo cambian las características de la nieve de arriba a abajo, "dijo Hiemstra." La nieve más reciente en la cima es esponjosa y silenciosa. Debajo de eso, el viento lo ha empaquetado en densas capas que raspan la pala. La nieve hacia el fondo está suelta y tiene bordes puntiagudos afilados. Cuando profundizas en ello, los puntos helados se rompen y suenan cuando caen contra la pala ".

Los equipos de boxes también midieron el contenido de agua de la nieve, temperatura, reflectancia y tamaño de partícula. Los investigadores utilizaron instrumentos de mano para medir la dureza de la nieve, microestructura y profundidad alrededor de las fosas. "Un desafío con estas observaciones puntuales es la comparación con las observaciones aéreas y espaciales, que tienen huellas del orden de decenas a miles de metros, "dijo HP Marshall, profesor asociado en la Universidad Estatal de Boise, Idaho, investigador de CRREL y científico del proyecto SnowEx 2020.

Para comprender la variabilidad en las propiedades de la nieve dentro de estas huellas más grandes de detección remota, el equipo condujo motos de nieve en espirales precisas para recopilar mediciones de radar activas y pasivas de las capas de nieve, profundidad y contenido de agua, con muestreo más continuo.

"Cuando miras los datos trazados a lo largo de la mesa, es sorprendente la cantidad de área que cubrimos. Hay patrones espaciales interesantes en los datos de profundidad de la nieve, donde la nieve profunda se forma a lo largo de los bordes de las áreas boscosas, ", dijo Vuyovich." Hay una profundidad de nieve menos profunda entre los árboles y es promedio al aire libre. Esta heterogeneidad en la profundidad de la nieve se debe principalmente a la redistribución del viento y realmente demuestra por qué necesitamos tantas observaciones para validar las observaciones de teledetección y probar nuestros modelos ".

Mientras los equipos de tierra trabajaban en la nieve, Los equipos aerotransportados volaron líneas de vuelo de precisión que llevaban combinaciones de instrumentos que realizaban mediciones similares:radar y lidar (detección de luz y rango) para la profundidad de la nieve, radar de microondas y radiómetros para SWE, cámaras ópticas para fotografiar la superficie, Radiómetros infrarrojos para medir la temperatura de la superficie y generadores de imágenes hiperespectrales para documentar la capa de nieve y la composición. Uno de los siete instrumentos fue desarrollado y construido en NASA Goddard:el radar y radiómetro de apertura sintética equivalente al agua en la nieve, o SWESARR. Otro radar el radar de apertura sintética de vehículos aéreos deshabitados, o UAVSAR, vino del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA.

Los equipos también aprovecharon los pasos elevados de varios satélites de la NASA, incluyendo ICESat-2 y la misión Sentinel de la NASA / Agencia Espacial Europea, para recopilar datos adicionales para comparar. De vuelta al suelo Vuyovich y su equipo ejecutaron una variedad de modelos de computadora para compararlos con los datos recopilados más tarde, y vea cómo se comparan y cómo se pueden combinar para análisis futuros.

"El período en Grand Mesa fue tan bueno, ", dijo Marshall." Todo el equipo de campo de 44 personas trabajó increíblemente duro, y en particular, muchos de los estudiantes más jóvenes realmente dieron un paso al frente. Estoy entusiasmado con nuestra próxima generación de científicos de la nieve:harán grandes cosas ".

Un DHC-6 Twin Otter se posa en la pista bajo un cielo nublado

Coordinar instrumentos nuevos y maduros en una variedad de condiciones y ubicaciones fue un desafío, Marshall dijo.

"Para una campaña estacional de nieve en el aire, SnowEx 2020 es único en el sentido de que volamos con éxito tantos instrumentos sobre la misma ubicación, coordinado con extensas observaciones de campo, ", dijo." Usar esos conjuntos de datos juntos será realmente emocionante. Nos llevará un largo camino hacia una mejor comprensión de cómo desarrollar un producto SWE global que combine datos de múltiples satélites, datos de campo y modelado ".

Como la nieve se derrite y se vuelve más húmeda en la primavera, se vuelve más difícil de medir. Desde diciembre de 2019 hasta marzo de 2020, equipos locales más pequeños tomaron mediciones semanales del suelo y estudios de aire bimensuales en 13 sitios que abarcan diferentes climas de nieve, en cinco estados diferentes del oeste de los Estados Unidos.

A pesar de que la campaña terminó temprano debido a la pandemia de coronavirus, La amplia variedad de sitios de muestreo del equipo les brindó suficientes datos para validar y analizar, dijeron Vuyovich y Marshall. Durante cada sobrevuelo, Los equipos en cada sitio midieron e ingresaron datos en el sistema del Centro Nacional de Datos de Nieve y Hielo diseñado para SnowEx, y ambos científicos realizaron llamadas de registro periódicas mediante videoconferencia.

"Definitivamente hubo desafíos en la administración remota de una campaña tan grande, pero fue una gran experiencia de aprendizaje, ", Dijo Vuyovich." Este tipo de campaña es valiosa, 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, modelos and satellite measurements. The SnowEx 2020 data will provide information to allow us to explore tradeoffs in cost, complexity and accuracy."