NASA bygger nya verktyg för att hantera vatten när klimatfarorna växer

Stuart Rankin

Efter en ovanligt torr vinter, en sensäsongsstorm äntligen genomblöt Kalifornien i början av mars och samlade flera fot snö över de höga granitreservoarerna i Sierra Nevada-bergen.

På söndagsmorgonen efter det att vädret klarnade lastade ett par NASA-forskare på ett litet plan på Mammoth Yosemite Airport, en operation med en enda bana som sträcker sig före pyramidtoppen av Mount Morrison.

Efter sista säkerhetskontroller lyfte piloterna, vilket markerade Airborne Snow Observatorys första flygning för säsongen. ASO är en dubbelturbopropp Beechcraft King Air 90, utrustad med ett par sensorer som pekar genom en glasurskärning på botten av planet. Lidaren mäter bergssnöpackets volym medan en spektrometer mäter dess reflektionsförmåga, och ger tillsammans en mycket exakt uppskattning av hur mycket vatten som kommer att rinna av berget på våren och när det kommer att rinna genom Kaliforniens fält av dammar, reservoarer och akvedukter.

Uppgifterna gör det möjligt för vattenmyndigheter att mer noggrant hantera vattenladdningsvattenkraftverken, mata städer och ge näring till en av USA:s mest produktiva jordbruksregioner. Att göra det jobbet väl har blivit allt viktigare eftersom staten omväxlande kämpar med långvarig torka och omfattande översvämningar eftersom klimatförändringarna verkar förvärra den säsongsbetonade volatiliteten.

Du kan inte hantera det du inte kan mäta, säger Thomas Painter, huvudutredare för ASO-programmet, som hanteras av NASA:s Jet Propulsion Lab i Pasadena.

Thomas Painter, huvudutredare med NASA:s Airborne Snow Observatory-program, står framför San Joaquins vattendelare. James tempel

Klimat whiplash

Sierra Nevada sträcker sig 400 miles längs Kaliforniens sydöstra gräns. Varje år levererar dess smältande snöpack upp till en tredjedel av statens vatten.

Att hantera den resursen är en knepig uppgift. Reservoaroperatörer måste släppa ut tillräckligt för att undvika översvämningar, underhålla fisk och ekosystem, ladda grundvatten och försörja städer och industrier. Men de måste också hålla fast tillräckligt för att möta behoven hos bönder, företag och invånare under de torra sommarmånaderna.

ASO-programmet började sina snöundersökningar våren 2013 när en förödande torka grep Kalifornien. Den historiska torrperioden tvingade fram obligatoriska vattenbegränsningar, dömde mer än hundra miljoner träd, förvärrade skogsbränder och pressade ut vinsterna från statens massiva jordbruksindustri. Sedan tog det ett abrupt stopp vintern 2016–2017 när en serie stormar dumpade nästan 95 tum regn i vissa delar av Sierra, vilket markerar Kaliforniens näst blötaste år någonsin.

Denna typ av klimatpisksnärt kan bli upp till dubbelt så vanliga i staten, drivna av stigande temperaturer, ökande atmosfärisk vattenånga och andra klimatförändringar, enligt en april papper i Naturens klimatförändringar . Engångsöversvämningar på 200 år kan inträffa vart 40:e år i mitten av seklet, fann författarna.

Den totala nederbörden kanske inte förändras mycket i genomsnitt över dessa skarpa skiftningar mellan mycket torra och mycket våta år, men det sköljs inte bara ut i slutändan, säger Daniel Swain, huvudförfattare till studien och klimatforskare vid University of California, Los Angeles. Du har alla nackdelar med våta år och torka år. Du har fler av riskerna, och färre av fördelarna, med det vattnet.

Mitt i sådan turbulens kommer den framsynthet som NASA ASO-programmet kan ge när det gäller skiftande snöpackningsförhållanden vara avgörande för att hantera vatten i ett system som är designat för det förflutnas klimat, säger Swain.

Under våta år hjälper programmet reservoaroperatörer att förhindra vatten från att toppa bassängerna och översvämma nedströms samhällen. Under torra år gör uppgifterna det möjligt för dem att mer effektivt använda begränsade förråd. För Friant Water Authority, som förvaltar en damm och kanaler som matar en miljon tunnland av Central Valley jordbruksmark, innebär det att mer av vattnet används för att odla statens frukter och grönsaker, säger Jeff Payne, den offentliga myndighetens vattenpolitikchef.

Studsande lasrar

Efter att ha passerat den branta östra sidan av området nådde planet en höghöjdssträcka av San Joaquin-bassängen, som lagrar vatten i sin frusna form ända tills de tusentals Friant-distriktets gårdar behöver det varje vår.

Dan Berisford, en skäggig 38-årig NASA-teknolog, klädd i en stickad mössa och spegelglasögon, satt i vänster baksäte framför lidarmonitorn. Han vred på en switch som initierade datainsamling från sensorn.

Planet klippte en gräsklipparbana över terrängen och täckte långa linjer innan det rullade 180 grader. Lidaren sänder ut pulserande laserstrålar hundratusentals gånger per sekund och sveper i sidled över landskapet. Genom att mäta den tid det tar för ljuset att reflektera från ytan och återgå till sensorn, kan enhetens programvara rita ut en 3D-karta över snöytan. Genom att kombinera denna information med tidigare observationer kan forskarna beräkna snövattenekvivalenten eller den totala volymen vatten som lagrats i vattendelaren vid den tidpunkten.

Berisfords huvudsakliga uppgift på planet är kvalitetskontroll, att se efter tecken på att ljuset studsar av moln eller luftfuktighet.

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

Spektrometern går samtidigt. Det är i grunden en kamera, men en som kan upptäcka ljus långt utanför det mänskliga ögats räckvidd. Det avgör hur mycket av solljuset som träffar snön som reflekteras från ytan.

Nysnö är mycket reflekterande, vilket saktar ner smältningen och hjälper till att kasta tillbaka värmen till atmosfären. Men snöpackningen blir stadigt mindre reflekterande när iskristallerna smälter samman och växer, och luftföroreningar och stormar skräpar fälten med mörka absorberande fläckar i form av damm och sot.

Att bestämma skiftande reflekterande nivåer hjälper teamet att beräkna hur snabbt snön kommer att smälta och när den slutligen kommer att nå nedströms reservoarer, säger Berisford.

Mest exakt

Kalifornier har försökt att noggrant mäta Sierra snowpack i mer än ett sekel. Varje vinter skickar California Department of Water Resources inspektörer på längdskidor och snöskor till hundratals utsedda platser, där de kastar aluminiummätrör djupt ner i snön. Dessa data kompletteras av mer än hundra fjärrsensorstationer placerade över hela området, där snökuddar ger uppskattningar baserade på den skiftande vikten av snö ovanför dem.

Men dessa ögonblicksbilder ger ofta inte en korrekt bild av dessa vidsträckta högbergsvattendelar. Under vissa år kan den beräknade mängden vatten som så småningom når reservoarer som Hetch Hetchy-systemet, som betjänar nästan tre miljoner kunder runt San Francisco, vara så mycket som 40 procent. Det är ett plus eller minus av tiotals miljarder liter vatten.

Men efter fem års drift, genom mycket våta, mycket torra och genomsnittliga år, är NASA-programmets felfrekvens i genomsnitt runt 2 procent, säger Painter.

Det är den mest exakta undersökningen om snowpack som någonsin gjorts, säger han.

Mätning från rymden

Hittills har NASA ASO-programmet, som övergår från en pilotfas till en operativ fas, bara täckt cirka en tredjedel av Sierra. Men NASA, California Department of Water Resources och flera vattendistrikt försöker expandera det över hela Kalifornien. Det skulle kräva ytterligare flygplan, anläggningar och flera miljoner i årlig finansiering. Representanter för Friant Water Authority och andra vattendistrikt har fört diskussioner med lagstiftare för att avsätta pengar till programmet.

Painter säger att NASA också är i diskussioner om att sätta upp liknande insatser i Columbia Basin som sträcker sig genom Oregon, Washington och Kanada och Colorado River Basin, där de också har genomfört tidiga undersökningsflygningar.

Relaterad berättelse

Relaterad berättelse Lawrence Livermore Labs allt kraftfullare klimatmodeller har varit en skarp varning för Kalifornien.

NASA:s slutliga mål är mycket högre. Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, har genomfört en serie tester på de snötäckta bergen och platåerna runt Grand Mesa, Colorado. Syftet med det fleråriga forskningsprojektet, känt som SnowEx , är att bestämma vilken kombination av sensorer och tekniker som gör det möjligt för NASA att mäta snö-vattenekvivalenter från rymden.

Som det ser ut kan nuvarande satelliter endast bestämma omfattningen av snö över kontinenterna, inte mängden vatten den innehåller.

Insatsen kan hjälpa andra regioner runt om i världen som kämpar med samma slags vattenutmaningar och osäkerheter som Kalifornien. Det kan också ge data om planetens skiftande reflektionsförmåga när temperaturerna stiger och mindre snö ackumuleras, vilket ger insikt i en avgörande återkopplingsmekanism för klimatförändringar.

Vi behöver ett satellituppdrag som kan mäta snö globalt, har Charles Gatebe, biträdande projektforskare för SnowEx, sagt. Vi letar efter verktygen.

Svårt att anpassa sig

Men i slutändan kan mer och bättre information bara göra så mycket.

Om nederbördsmönster förändras så mycket som Swains studie förutspår, kommer situationen att kräva mycket större förändringar i Kaliforniens vatteninfrastruktur och metoder. Och att anpassa sig till ett nytt normalt är svårt när det nya normala är volatilitet.

Särskilt vissa hävdar att fler och värre torka kommer att kräva att staten bygger ytterligare reservoarer. Men samma åtgärd skulle förvärra översvämningsriskerna under våta år, eftersom kraftiga regn överträffar bassängerna.

Andra kaliforniska vattenförvaltningsexperter tror att staten kommer att behöva utveckla ett mycket mer flexibelt system, genom att luta sig tyngre på naturliga översvämningsslätter och akviferer snarare än mänskliga reservoarer. Det kommer att kräva helt annan infrastruktur, troligen inklusive vallar, rörledningar och kanaler, för att skydda samhällen och transportera vatten.

Det kan vara det mest lovande sättet att minska risken, säger Swain. Men ärligt talat, det kommer att bli en tuff utmaning. Det kommer att bli svårt att anpassa sig.

Dölj