NASA bygger nye verktøy for å håndtere vann etter hvert som klimafarene vokser

Stuart Rankin

Etter en uvanlig tørr vinter, en sensesongstorm endelig gjennomvåt California tidlig i mars, og hopet seg opp flere meter med snø over de høye granittreservoarene i Sierra Nevada-fjellene.

Søndag morgen etter at været lettet, lastet et par NASA-forskere inn på et lite fly på Mammoth Yosemite Airport, en operasjon med én rullebane som strekker seg før pyramidetoppen til Mount Morrison.

Etter siste sikkerhetssjekker løftet pilotene seg, og markerte Airborne Snow Observatorys første flyging for sesongen. ASO er en dobbeltturboprop Beechcraft King Air 90, utstyrt med et par sensorer som peker gjennom en glassutskjæring på bunnen av flyet. Lidaren måler volumet til fjellsnøpakken mens et spektrometer måler dens refleksjonsevne, og gir sammen et svært nøyaktig estimat av hvor mye vann som vil renne av fjellet om våren og når det vil strømme gjennom Californias fjell av demninger, reservoarer og akvedukter.

Dataene gjør det mulig for vannmyndighetene å håndtere vannkraftverkene for vannlading mer nøye, mate byer og byer og gi næring til en av USAs mest produktive landbruksregioner. Å gjøre den jobben godt har blitt stadig mer kritisk ettersom staten vekselvis sliter med langvarig tørke og utbredt flom som klimaendringer ser ut til å forverre sesongmessige volatilitet.

Du kan ikke administrere det du ikke kan måle, sier Thomas Painter, hovedetterforsker med ASO-programmet, administrert av NASAs Jet Propulsion Lab i Pasadena.

Thomas Painter, hovedetterforsker med NASAs Airborne Snow Observatory-program, står foran vannskillet i San Joaquin. James tempel

Klima whiplash

Sierra Nevada strekker seg 400 miles langs den sørøstlige grensen til California. Hvert år leverer dens smeltende snøpakke opp til en tredje av statens vann.

Å administrere den ressursen er en vanskelig oppgave. Reservoaroperatører må slippe ut nok til å unngå flom, opprettholde fisk og økosystemer, fylle opp grunnvann og forsyne byer og industrier. Men de må også holde på nok til å møte behovene til bønder, bedrifter og innbyggere gjennom de tørre sommermånedene.

ASO-programmet startet sine snøundersøkelser våren 2013 da en ødeleggende tørke grep California. Den historiske tørkeperioden tvang obligatoriske vannrestriksjoner, dømte mer enn hundre millioner trær, forverret skogbranner og presset inn overskuddet til statens massive landbruksindustri. Så stoppet det brått vinteren 2016–2017 da en serie stormer dumpet nesten 95 tommer regn i enkelte deler av Sierra, og markerer Californias nest våteste år noensinne.

Denne typen klimasnacks kan bli opptil dobbelt så vanlig i staten, drevet av stigende temperaturer, økende atmosfærisk vanndamp og andre klimatiske endringer, ifølge en april papir i Natur klimaendringer . Engangs 200-års flom kan forekomme hvert 40. år ved midten av århundret, fant forfatterne.

Total nedbør endrer seg kanskje ikke mye i gjennomsnitt over disse skarpe skiftene mellom veldig tørre og veldig våte år, men det vaskes ikke bare ut til slutt, sier Daniel Swain, hovedforfatter av studien og klimaforsker ved University of California, Los Angeles. Du har alle ulempene med våte år og tørkeår. Du har mer av risikoen, og færre av fordelene med det vannet.

Midt i en slik turbulens vil framsynet som NASA ASO-programmet kan gi til skiftende snøpakkeforhold være avgjørende for å håndtere vann i et system designet for fortidens klima, sier Swain.

I våte år hjelper programmet reservoaroperatører med å forhindre at vann overgår bassengene og flommer nedstrøms samfunn. I tørre år gjør dataene dem i stand til å utnytte begrensede forsyninger mer effektivt. For Friant Water Authority, som forvalter en demning og kanaler som mater en million dekar av Central Valley jordbruksland, betyr det å sette mer av vannet i arbeid med å dyrke statens frukt og grønnsaker, sier Jeff Payne, den offentlige etatens direktør for vannpolitikk.

Sprettende lasere

Etter å ha passert den bratte østsiden av rekkevidden, nådde flyet en stor høyde i San Joaquin-bassenget, som lagrer vann i sin frosne form helt til de tusenvis av gårdene i Friant-distriktet trenger det hver vår.

Dan Berisford, en skjeggete 38 år gammel NASA-teknolog iført en strikket lue og speilsolbriller, satt i bakre venstre sete foran lidar-monitoren. Han snudde en bryter som startet datainnsamling fra sensoren.

Flyet klippet en gressklipperbane over terrenget, og dekket lange linjer før det falt 180 grader. Lidaren sender ut pulserende laserstråler hundretusenvis av ganger per sekund, og sveiper sideveis over landskapet. Ved å måle tiden det tar for lyset å reflektere fra overflaten og gå tilbake til sensoren, kan enhetens programvare plotte ut et 3D-kart over snøoverflaten. Ved å kombinere denne informasjonen med tidligere observasjoner, er forskerne i stand til å beregne snøvannekvivalenten, eller det totale volumet av vann som er lagret i vannskillet på det tidspunktet.

Berisfords viktigste jobb på flyet er kvalitetskontroll, å se etter signalbevisende tegn på at lyset preller av skyer eller luftfuktighet.

NASAs Airborne Snow Observatory, en Beechcraft King Air 90, på Mammoth Yosemite Airport. james tempel

Spektrometeret går samtidig. Det er egentlig et kamera, men et som kan oppdage lys langt utenfor rekkevidden til det menneskelige øyet. Den bestemmer hvor mye av sollyset som treffer snøen som reflekteres fra overflaten.

Nysnø er svært reflekterende, noe som bremser smeltingen og hjelper til med å kaste varme tilbake til atmosfæren. Men snøpakken blir stadig mindre reflekterende ettersom iskrystallene smelter sammen og vokser, og luftforurensning og stormer fyller jordene med mørke absorberende flekker i form av støv og sot.

Å bestemme skiftende reflekterende nivåer hjelper teamet med å beregne hvor raskt snøen vil smelte, og når den til slutt vil nå nedstrøms reservoarer, sier Berisford.

Mest nøyaktig

Californians innbyggere har forsøkt å måle Sierra-snøpakken nøyaktig i mer enn et århundre. Hver vinter sender California Department of Water Resources landmålere på langrennski og truger til hundrevis av utpekte steder, hvor de stuper aluminiumsmålerør dypt ned i snøen. Disse dataene er supplert med mer enn hundre eksterne sensorstasjoner plassert over hele området, der snøputer gir estimater basert på skiftende vekt av snø over dem.

Men disse øyeblikksbildene gir ofte ikke et nøyaktig bilde av disse vidstrakte høyfjellsvannskillene. I noen år kan den estimerte mengden vann som til slutt når reservoarer som Hetch Hetchy-systemet, som betjener nesten tre millioner kunder rundt San Francisco, være så mye som 40 prosent. Det er et pluss eller minus på titalls milliarder liter vann.

Men etter fem års drift, gjennom veldig våte, veldig tørre og gjennomsnittlige år, er NASA-programmets feilrate i gjennomsnitt rundt 2 prosent, sier Painter.

Det er den mest nøyaktige undersøkelsen om snøpakke som noen gang er gjort, sier han.

Måling fra verdensrommet

Så langt har NASA ASO-programmet, som går over fra en pilot- til en operasjonsfase, bare dekket rundt en tredjedel av Sierra. Men NASA, California Department of Water Resources og flere vanndistrikter forsøker å utvide det over hele California. Det vil kreve flere fly, fasiliteter og flere millioner i årlig finansiering. Representanter for Friant Water Authority og andre vanndistrikter har vært i diskusjoner med lovgivere for å sette av penger til programmet.

Painter sier at NASA også er i diskusjoner om å sette opp lignende tiltak i Columbia-bassenget som strekker seg gjennom Oregon, Washington og Canada, og Colorado River Basin, hvor de også har utført tidlige undersøkelsesflyvninger.

Relatert historie

Relatert historie Lawrence Livermore Labs stadig kraftigere klimamodeller har lød en sterk advarsel for California.

NASAs endelige mål er langt høyere. Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, har gjennomført en serie tester på snødekte fjell og platåer rundt Grand Mesa, Colorado. Målet med det flerårige forskningsprosjektet, kjent som SnowEx , er å finne ut hvilken kombinasjon av sensorer og teknikker som vil gjøre NASA i stand til å måle snøvannekvivalenter fra verdensrommet.

Som det står, kan nåværende satellitter bare bestemme omfanget av snø på tvers av kontinentene, ikke mengden vann den inneholder.

Innsatsen kan hjelpe andre regioner rundt om i verden som sliter med samme slags vannutfordringer og usikkerhet som California. Det kan også gi data om planetens skiftende reflektivitet når temperaturen stiger og mindre snø samler seg, og gir innsikt i en avgjørende tilbakemeldingsmekanisme for klimaendringer.

Vi trenger et satellittoppdrag som kan måle snø globalt, har Charles Gatebe, assisterende prosjektforsker for SnowEx, sagt. Vi leter etter verktøyene.

Vanskelig å tilpasse seg

Men til syvende og sist kan mer og bedre informasjon bare gjøre så mye.

Hvis nedbørsmønstrene endrer seg så mye som Swains studie forutsier, vil situasjonen kreve langt større endringer i Californias vanninfrastruktur og praksis. Og å tilpasse seg en ny normal er vanskelig når den nye normalen er volatilitet.

Spesielt hevder noen at flere og verre tørker vil kreve at staten bygger ytterligere reservoarer. Men det samme tiltaket vil forverre flomrisikoen i våte år, ettersom kraftig regn faller over bassengene.

Andre vannforvaltningseksperter i California mener staten vil trenge å utvikle et mye mer fleksibelt system, ved å lene seg sterkere på naturlige flomsletter og akviferer i stedet for menneskeskapte reservoarer. Det vil kreve en helt annen infrastruktur, sannsynligvis inkludert lemmer, rørledninger og kanaler, for å beskytte lokalsamfunn og transportere vann.

Det kan være den mest lovende måten å redusere risikoen på, sier Swain. Men ærlig talt, det kommer til å bli en tøff utfordring. Det blir vanskelig å tilpasse seg.

gjemme seg