NASA-Wissenschaftler testen eine Technologie, die im Schnee gespeichertes Wasser aus der Sicht eines Satelliten im Orbit genauer messen könnte.
Schmelzender Schnee liefert einen Großteil des Wassers, auf das der Westen der USA für Landwirtschaft und Energie angewiesen ist. Aber wärmere Winter aufgrund des Klimawandels führten zu einem Rückgang der saisonalen Schneedecken hoch oben in den Rocky Mountains und in der Sierra Nevada. Das wiederum wirkt sich auf die Wassermenge aus, die flussabwärts fließt, um Feldfrüchte zu bewässern und Wasserkraftturbinen anzutreiben.
„Wenn man die saisonale Schneedecke entfernt, kann man im Wesentlichen alle landwirtschaftlichen Produkte vergessen, die wir in Kalifornien anbauen und die einen großen Teil dieses Landes ernähren“, sagte Batuhan Osmanoglu, ein forschender Physiker am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt , Maryland. Osmanoglu ist der leitende Forscher am Snow Water Equivalent Synthetic Aperture Radar and Radiometer (SWESARR), einem Instrument, das entwickelt wurde, um die Wassermenge in diesen saisonalen Schneedecken von oben zu verfolgen.
Sein Team flog sein Instrument im Jahr 2020 und Anfang dieses Jahres mit einem Twin Otter-Flugzeug, während Kollegen die Schneedecke am Boden maßen. Sie planen, dieselben Gebiete zu überfliegen, wenn die Schneedecke im Oktober ihren niedrigsten Stand erreicht. „Wir haben das maximale Signal vom Schnee gesehen“, sagte Osmanoglu. „Jetzt interessiert uns das Minimum. Die Beachtung beider Bedingungen wird es uns ermöglichen, unsere Algorithmen zu verbessern.“
Die Messung des Geländes, wenn wenig oder gar kein Schnee auf dem Boden liegt, wird dazu beitragen, die Fähigkeit zur Messung des Wassers im Schnee weiter zu verbessern.
Es sei nicht einfach herauszufinden, wie viel Wasser in einer bestimmten Schneemenge enthalten sei, sagte Osmanoglu, da die Dichte des Schnees von überwiegend Luft bis hin zu überwiegend Wasser variieren könne.
„Wenn Sie Schnee in Ihrem Garten haben und einen Becher nehmen und ihn mit Schnee füllen, ist der Becher dann voll oder halbvoll, wenn er geschmolzen ist?“ sagte Osmanoglu. Der Schmelztest funktioniert nach einem Schneefall im Hinterhof, bei dem die Dichte des Schnees gleichmäßig ist, recht gut. Aber über ein ganzes Gebirge hinweg variiert die Dichte während eines ganzen Winters stark. Um diese Messungen durchzuführen, benötigen Wissenschaftler eine andere Methode und einen höheren Blickwinkel.
Das SWESARR-Instrument kombiniert zwei Techniken, um eine höhere Empfindlichkeit gegenüber früheren Technologien zu bieten: SWESARR reflektiert seine eigenen Radarimpulse vom Boden, misst deren Rücksignal und erfasst außerdem natürlich vorkommende Mikrowellensignale, die vom Schnee ausgesendet werden.
SWESARR flog zuletzt im März im Rahmen der NASA SnowEx Tundra and Boreal Forest-Kampagne über Alaska bei hohen Schneebedingungen. Sie planen, das Instrument im Oktober bei wenig Schnee über denselben Standorten in Alaska zu fliegen, um die Messungen zu vergleichen und die Genauigkeit von SWESARR weiter zu verbessern. Bildnachweis: Goddard Space Flight Center der NASA / Scientific Visualization Studio
Schnee absorbiert einige der Radarsignale von SWESARR. Wissenschaftler messen, wie viel des Signals zurückkommt und wie viel vom Schnee absorbiert wird, um die darin enthaltene Wassermenge zu berechnen.
Schnee ist kalt, aber immer noch warm genug, um Mikrowellen auszusenden, die ein Radiometer erkennen kann. Wissenschaftler messen die „Helligkeitstemperatur“ der vom Schnee abgegebenen Energie und vergleichen sie mit der von schneefreiem Boden, um das Wasser in der Schneedecke zu berechnen.
Durch die Kombination der beiden Messtechniken „erhält man grundsätzlich einen größeren Bereich an Schneewasseräquivalentwerten, die man messen kann“, sagte Osmanoglu. „Außerdem besteht der Vorteil, dass diese Messungen sich gegenseitig anhand zweier unterschiedlicher Physik bestätigen.“
Beide Technologien haben Kompromisse. Für diese Art der Analyse werden seit langem Radiometer eingesetzt, die sich gut für die Messung geringer bis mittlerer Schneehöhen eignen, während Radar eine höhere Auflösung bietet und tiefer in die Schneedecke eindringen kann. Aber Radiometer können Probleme haben, wenn das bergige Gelände auch stark bewaldet ist.
„Es ist schwer zu sagen, welcher Teil des Signals tatsächlich vom Schnee kommt und welcher Teil von der Vegetation, weil diese auch Signale aussendet“, sagte Osmanoglu.
Radar ist etwas besser darin, kleinere Objekte wie Bäume zu erkennen, aber die Messungen sind nicht perfekt. Die Radarwellenlängen sind etwa so lang wie immergrüne Zweige, was bedeutet, dass die Signale reflektiert werden, anstatt durch Bäume zum Boden zu dringen, wo der Schnee liegt.
Um diese Herausforderungen anzugehen, kombiniert Osmanoglus Team vier Computermodelle, um simulierte Landschaften aus Wäldern und Schnee zu erstellen und zu zeigen, was SWESARR in diesen Umgebungen sehen würde. Mit der Simulation hofft er, die Methoden zur Erkennung von Schnee durch kleine Lücken im Walddach zu verbessern, bevor er weitere Testflüge durchführt.
„Wir haben die Bäume, wir haben den Schnee und wir haben die Simulatoren, damit wir tatsächlich sehen können, welche Art von Signalen wir erhalten sollten“, sagte Osmanoglu. „Sie versuchen zu sehen, was ist die Öffnung des Blätterdachs? Können wir eine Schneebeobachtung unter dem Blätterdach machen?“
Das SWESARR-Instrument ist in gutem Zustand und hat auf seinen Flugflügen gute Leistungen erbracht. Die Verbesserung der Messalgorithmen sei der nächste Schritt, sagte Osmanoglu, hin zu dem Traum, so etwas wie SWESARR auf einen Satelliten zu bringen – einen Aussichtspunkt, von dem aus die Wassermenge in Schneedecken auf der ganzen Welt geschätzt werden könnte.