Les scientifiques de la NASA testent une technologie qui pourrait mesurer avec plus de précision l’eau stockée dans la neige, vue depuis un satellite en orbite.
La fonte des neiges fournit une grande partie de l’eau dont dépend l’ouest des États-Unis pour l’agriculture et l’électricité. Mais le réchauffement des hivers dû au changement climatique a entraîné une diminution du manteau neigeux saisonnier dans les montagnes des Rocheuses et de la Sierra Nevada. Cela affecte à son tour le volume d’eau qui circule en aval pour irriguer les cultures et faire fonctionner les turbines hydroélectriques.
« Si vous supprimez le manteau neigeux saisonnier, vous pouvez pratiquement oublier tous les produits agricoles que nous cultivons en Californie, qui nourrissent une grande partie de ce pays », a déclaré Batuhan Osmanoglu, chercheur en physique au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt. , Maryland. Osmanoglu est le chercheur principal de l’instrument radar et radiomètre à synthèse d’ouverture équivalente à l’eau et à la neige, ou SWESARR, conçu pour suivre la quantité d’eau dans ces manteaux de neige saisonniers depuis le haut.
Son équipe a fait voler son instrument sur un avion Twin Otter en 2020 et plus tôt cette année, tandis que ses collègues mesuraient le manteau neigeux au sol. Ils prévoient de survoler les mêmes zones lorsque le manteau neigeux atteindra son niveau le plus bas en octobre. « Nous avons vu le signal maximal provenant de la neige », a déclaré Osmanoglu. « Maintenant, nous nous intéressons au minimum. Le respect de ces deux conditions nous permettra d’améliorer nos algorithmes. »
Mesurer le terrain lorsqu’il y a peu ou pas de neige au sol aidera à affiner davantage leur capacité à mesurer l’eau dans la neige.
Déterminer la quantité d’eau contenue dans un volume donné de neige n’est pas simple, a déclaré Osmanoglu, car la densité de la neige peut varier, allant d’une majorité d’air à une majorité d’eau.
« Si vous avez de la neige dans votre jardin et que vous prenez une tasse et la remplissez de neige, la tasse est-elle pleine ou à moitié pleine lorsqu’elle fond? » Osmanoglu a déclaré. Le test de fonte fonctionne assez bien après une chute de neige dans un jardin où la densité de la neige est uniforme. Mais sur l’ensemble d’un massif montagneux, pendant un hiver complet, la densité varie beaucoup. Pour effectuer ces mesures, les scientifiques ont besoin d’une méthode différente et d’un point de vue plus élevé.
L’instrument SWESARR combine deux techniques pour offrir une sensibilité améliorée par rapport à la technologie antérieure : SWESARR fait rebondir ses propres impulsions radar sur le sol, mesurant leur signal de retour, ainsi que capturant les signaux micro-ondes naturels émis par la neige.
SWESARR a volé pour la dernière fois dans le cadre de la campagne SnowEx Tundra et forêt boréale de la NASA au-dessus de l’Alaska en mars, dans des conditions de neige élevée. Ils prévoient de faire voler l’instrument au-dessus des mêmes sites en Alaska en octobre dans des conditions de faible enneigement pour comparer les mesures et améliorer encore la précision de SWESARR. Crédit : Goddard Space Flight Center de la NASA / Studio de visualisation scientifique
La neige absorbe une partie des signaux radar de SWESARR. Les scientifiques mesurent la quantité de signal renvoyée par rapport à la quantité absorbée par la neige pour calculer la quantité d’eau qu’elle contient.
La neige est froide, mais suffisamment chaude pour émettre des micro-ondes qu’un radiomètre peut détecter. Les scientifiques mesurent la « température de luminosité » de l’énergie émise par la neige et la comparent à celle d’un sol sans neige pour calculer la quantité d’eau contenue dans le manteau neigeux.
Avec la combinaison des deux techniques de mesure, « vous obtenez essentiellement une plus grande plage de valeurs équivalentes à l’eau de neige que vous pouvez mesurer », a déclaré Osmanoglus. « Et aussi, il y a l’avantage que ces mesures se confirment mutuellement en utilisant deux physiques différentes. »
Les deux technologies comportent des compromis. Les radiomètres sont utilisés depuis longtemps pour ce type d’analyse et sont efficaces pour mesurer des épaisseurs de neige faibles à moyennes, tandis que le radar offre une résolution plus élevée et peut pénétrer plus profondément dans le manteau neigeux. Mais les radiomètres peuvent avoir des difficultés lorsque le terrain montagneux est également fortement boisé.
« Il est difficile de dire quelle partie du signal provient réellement de la neige et quelle partie provient de la végétation, car celle-ci émet également des signaux », a expliqué Osmanoglu.
Le radar est un peu meilleur pour discerner les éléments plus petits comme les arbres, mais les mesures ne sont pas parfaites. Les longueurs d’onde du radar ont à peu près la longueur de branches à feuilles persistantes, ce qui signifie que les signaux rebondissent au lieu de pénétrer à travers les arbres jusqu’au sol où se trouve la neige.
Pour relever ces défis, l’équipe d’Osmanoglu combine quatre modèles informatiques pour générer des paysages simulés de forêts et de neige et montrer ce que SWESARR verrait dans ces environnements. Grâce à la simulation, il espère améliorer les méthodes de détection de la neige à travers de petites ouvertures dans le couvert forestier avant d’effectuer d’autres vols d’essai.
« Nous avons les arbres, nous avons la neige et nous avons les simulateurs, donc nous pouvons réellement voir quel type de signaux nous devrions recevoir », a déclaré Osmanoglu. « Vous essayez de voir quelle est l’ouverture de la canopée ? Pouvons-nous faire une observation de la neige sous la canopée ? »
L’instrument SWESARR est en bon état et a bien fonctionné lors de ses vols d’avion. L’amélioration des algorithmes de mesure est la prochaine étape, a déclaré Osmanoglu, vers le rêve éventuel de placer quelque chose comme SWESARR sur un satellite, un point d’observation à partir duquel il pourrait estimer la quantité d’eau dans les manteaux neigeux à travers le monde.