NASA bouwt nieuwe tools om water te beheren naarmate de klimaatgevaren toenemen

Stuart Rankin

Na een ongewoon droge winter, een storm in het late seizoen eindelijk doorweekt Californië begin maart, waarbij enkele meters sneeuw op de hoge granieten reservoirs van de Sierra Nevada-bergen werd opgestapeld.

Op de zondagochtend nadat het weer was opgeklaard, laadden een paar NASA-onderzoekers op een klein vliegtuig op de Mammoth Yosemite Airport, een operatie met één startbaan die zich uitstrekt vóór de piramidetop van Mount Morrison.

Na de laatste veiligheidscontroles stegen de piloten op en markeerden de inaugurele vlucht van het seizoen van de Airborne Snow Observatory. De ASO is een twin-turboprop Beechcraft King Air 90, uitgerust met een paar sensoren die door een glazen uitsparing aan de onderkant van het vliegtuig wijzen. De lidar meet het volume van het sneeuwpakket in de bergen, terwijl een spectrometer de reflectiviteit ervan meet, en samen een zeer nauwkeurige schatting geven van hoeveel water in de lente van de berg zal stromen en wanneer het door de wirwar van dammen, reservoirs en aquaducten in Californië zal stromen.

De gegevens stellen waterautoriteiten in staat om de waterkrachtcentrales voor het opladen van water zorgvuldiger te beheren, dorpen en steden te voeden en een van de meest productieve landbouwregio's van de Verenigde Staten te voeden. Dat werk goed doen is steeds belangrijker geworden nu de staat afwisselend worstelt met langdurige droogtes en grootschalige overstromingen aangezien klimaatverandering de seizoensvolatiliteit lijkt te verergeren.

Je kunt niet beheren wat je niet kunt meten, zegt Thomas Painter, hoofdonderzoeker bij het ASO-programma, beheerd door NASA's Jet Propulsion Lab in Pasadena.

Thomas Painter, hoofdonderzoeker bij NASA's Airborne Snow Observatory-programma, staat voor de waterscheiding van San Joaquin. Jacobus tempel

Klimaat whiplash

De Sierra Nevada strekt zich 400 mijl uit langs de zuidoostelijke grens van Californië. Elk jaar levert het smeltende sneeuwpakket tot een derde van het staatswater.

Het beheren van die bron is een lastige taak. Beheerders van reservoirs moeten voldoende water laten om overstromingen te voorkomen, vissen en ecosystemen in stand te houden, grondwater aan te vullen en steden en industrieën te bevoorraden. Maar ze moeten ook genoeg vasthouden om in de droge zomermaanden in de behoeften van boeren, bedrijven en bewoners te voorzien.

Het ASO-programma begon zijn sneeuwonderzoeken in het voorjaar van 2013 toen Californië door een verwoestende droogte werd geteisterd. De historische droge periode dwong verplichte waterbeperkingen af, vernietigde meer dan honderd miljoen bomen, verergerde bosbranden en drukte de winsten van de enorme landbouwindustrie van de staat. Toen kwam het abrupt tot stilstand in de winter van 2016-2017 toen een reeks stormen bijna werd gedumpt 95 inch regen in sommige delen van de Sierra, wat het op één na natste jaar ooit in Californië markeert.

Dit soort klimaatwhiplash kan tot twee keer zo vaak voorkomen in de staat, aangedreven door stijgende temperaturen, toenemende waterdamp in de atmosfeer en andere klimaatveranderingen, volgens een april papier in Natuur Klimaatverandering . Tegen het midden van de eeuw kunnen eenmalige overstromingen van 200 jaar om de 40 jaar plaatsvinden, ontdekten de auteurs.

De totale regenval zal gemiddeld niet veel veranderen over deze scherpe verschuivingen tussen zeer droge en zeer natte jaren, maar het vervaagt uiteindelijk niet alleen, zegt Daniel Swain, hoofdauteur van de studie en klimaatwetenschapper aan de Universiteit van Californië. Los Angeles. Je hebt alle nadelen van natte jaren en droge jaren. Je hebt meer van de risico's en minder van de voordelen van dat water.

Te midden van dergelijke turbulentie zal de vooruitziende blik die het NASA ASO-programma kan bieden in verschuivende snowpack-omstandigheden van cruciaal belang zijn voor het beheer van water binnen een systeem dat is ontworpen voor het klimaat van het verleden, zegt Swain.

In natte jaren helpt het programma de beheerders van reservoirs om te voorkomen dat water de bassins overstroomt en stroomafwaartse gemeenschappen overstroomt. In droge jaren stellen de gegevens hen in staat om efficiënter om te gaan met beperkte voorraden. Voor de Friant Water Authority, die een dam en kanalen beheert die een miljoen hectare landbouwgrond in Central Valley voeden, betekent dit dat er meer water moet worden gebruikt om de groenten en fruit van de staat te verbouwen, zegt Jeff Payne, de directeur van het waterbeleid van de openbare instantie.

Stuiterende lasers

Na de steile oostelijke zijde van de bergketen te hebben bereikt, bereikte het vliegtuig een hooggelegen stuk van het San Joaquin-bekken, dat water in zijn bevroren vorm opslaat tot de duizenden boerderijen in het Friant-district het elk voorjaar nodig hebben.

Dan Berisford, een bebaarde 38-jarige NASA-technoloog met een gebreide muts en een gespiegelde zonnebril, zat op de linkerachterbank voor de lidar-monitor. Hij zette een schakelaar om die de gegevensverzameling van de sensor startte.

Het vliegtuig sneed een grasmaaierpad over het terrein en bedekte lange rijen voordat het 180 graden kantelde. De lidar zendt honderdduizenden keren per seconde gepulseerde laserstralen uit, die zijdelings over het landschap vegen. Door de tijd te meten die het licht nodig heeft om van het oppervlak te reflecteren en terug te keren naar de sensor, kan de software van het apparaat een 3D-kaart van het sneeuwoppervlak uitzetten. Door die informatie te combineren met eerdere waarnemingen, kunnen de wetenschappers het sneeuw-waterequivalent berekenen, of het totale volume water dat op dat moment in het stroomgebied is opgeslagen.

De belangrijkste taak van Berisford in het vliegtuig is kwaliteitscontrole, kijken naar veelbetekenende signalen dat het licht weerkaatst op wolken of luchtvochtigheid.

NASA's Airborne Snow Observatory, een Beechcraft King Air 90, op de Mammoth Yosemite Airport. james tempel

De spectrometer loopt tegelijkertijd. Het is in wezen een camera, maar wel een die licht kan detecteren dat ver buiten het bereik van het menselijk oog ligt. Het bepaalt hoeveel van het zonlicht dat op de sneeuw valt, door het oppervlak wordt weerkaatst.

Verse sneeuw reflecteert sterk, wat het smelten vertraagt ​​en helpt om warmte terug in de atmosfeer te werpen. Maar het sneeuwpakket wordt steeds minder reflecterend naarmate de ijskristallen samensmelten en groeien, en luchtvervuiling en stormen de velden bezaaien met donkere absorberende plekken in de vorm van stof en roet.

Door reflecterende niveaus te bepalen, kan het team berekenen hoe snel de sneeuw zal smelten en wanneer deze uiteindelijk stroomafwaartse reservoirs zal bereiken, zegt Berisford.

Meest accuraat

Californiërs proberen al meer dan een eeuw nauwkeurig het sneeuwpakket van Sierra te meten. Elke winter stuurt het California Department of Water Resources landmeters op langlaufski's en sneeuwschoenen naar honderden aangewezen plekken, waar ze aluminium meetbuizen diep in de sneeuw storten. Die gegevens worden aangevuld met meer dan honderd sensorstations op afstand verspreid over het hele gebied, waar sneeuwkussens schattingen geven op basis van het verschuivende gewicht van de sneeuw erboven.

Maar deze snapshots geven vaak geen nauwkeurig beeld van deze uitgestrekte stroomgebieden in de hoge bergen. In sommige jaren kan de geschatte hoeveelheid water die uiteindelijk reservoirs zoals het Hetch Hetchy-systeem bereikt, dat bijna drie miljoen klanten in San Francisco bedient, tot 40 procent lager zijn. Dat is een plus of min van tientallen miljarden gallons water.

Maar na vijf jaar gebruik, door zeer natte, zeer droge en gemiddelde jaren, is het foutenpercentage van het NASA-programma gemiddeld ongeveer 2 procent, zegt Painter.

Het is het meest nauwkeurige onderzoek naar sneeuw dat ooit is gedaan, zegt hij.

Meten vanuit de ruimte

Tot nu toe heeft het NASA ASO-programma, dat van een pilot- naar een operationele fase overgaat, slechts ongeveer een derde van de Sierra bestreken. Maar NASA, het California Department of Water Resources en verschillende waterdistricten pleiten ervoor om het over Californië uit te breiden. Dat zou extra vliegtuigen, faciliteiten en enkele miljoenen aan jaarlijkse financiering vereisen. Vertegenwoordigers van de Friant Water Authority en andere waterschappen zijn in gesprek geweest met wetgevers om geld opzij te zetten voor het programma.

Painter zegt dat NASA ook in gesprek is over het opzetten van soortgelijke inspanningen in het Columbia Basin dat zich uitstrekt door Oregon, Washington en Canada, en het Colorado River Basin, waar ze ook vroege onderzoeksvluchten hebben uitgevoerd.

Verwant verhaal

Verwant verhaal De steeds krachtiger wordende klimaatmodellen van Lawrence Livermore Lab hebben een duidelijke waarschuwing gegeven voor Californië.

De uiteindelijke doelen van NASA zijn veel verhevener. Het Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, heeft een reeks tests uitgevoerd op de met sneeuw bedekte bergen en plateaus rond Grand Mesa, Colorado. Het doel van het meerjarige onderzoeksproject, bekend als SneeuwEx , is om te bepalen met welke combinatie van sensoren en technieken NASA het sneeuwwaterequivalent vanuit de ruimte kan meten.

Zoals het er nu uitziet, kunnen huidige satellieten alleen de hoeveelheid sneeuw over de continenten bepalen, niet de hoeveelheid water die het bevat.

De inspanning kan andere regio's over de hele wereld helpen die worstelen met dezelfde soorten wateruitdagingen en onzekerheden als Californië. Het zou ook gegevens kunnen opleveren over de veranderende reflectiviteit van de planeet naarmate de temperatuur stijgt en er minder sneeuw ophoopt, wat inzicht biedt in een cruciaal feedbackmechanisme van klimaatverandering.

We hebben een satellietmissie nodig die sneeuw wereldwijd kan meten, zei Charles Gatebe, de plaatsvervangend projectwetenschapper voor SnowEx. We zijn op zoek naar het gereedschap.

Moeilijk aan te passen

Maar uiteindelijk kan meer en betere informatie niet veel doen.

Als de neerslagpatronen zoveel verschuiven als de studie van Swain voorspelt, zal de situatie veel grotere veranderingen in de waterinfrastructuur en -praktijken van Californië vereisen. En aanpassen aan een nieuw normaal is moeilijk als dat nieuwe normaal volatiliteit is.

Sommigen beweren met name dat door meer en ergere droogtes de staat extra reservoirs moet aanleggen. Maar diezelfde maatregel zou de overstromingsrisico's tijdens natte jaren verergeren, omdat zware regenval over de bassins valt.

Andere experts op het gebied van waterbeheer in Californië zijn van mening dat de staat een veel flexibeler systeem moet ontwikkelen door meer te steunen op natuurlijke uiterwaarden en watervoerende lagen in plaats van door mensen gemaakte reservoirs. Dat vereist een heel andere infrastructuur, waarschijnlijk inclusief dijken, pijpleidingen en kanalen, om gemeenschappen te beschermen en water te transporteren.

Dat is misschien wel de meest veelbelovende manier om het risico te verkleinen, zegt Swain. Maar eerlijk gezegd wordt het een zware uitdaging. Het zal moeilijk zijn om je aan te passen.

zich verstoppen