À medida que as temperaturas da primavera e do verão voltam ao hemisfério norte, a neve do inverno está derretendo, liberando água doce preciosa nos riachos da Terra, rios e oceanos. Esta mudança anual fornece água líquida para beber, agricultura e energia hidrelétrica para mais de um bilhão de pessoas em todo o mundo. No futuro, A NASA planeja usar uma missão de satélite para medir a quantidade de água que a neve acumulada no inverno do mundo contém, e para fazer isso, eles precisam saber que combinação de instrumentos e técnicas medirá com eficiência essas informações do espaço.

Juntos para medir a água da neve

Equivalente da água da neve, ou SWE (pronuncia-se "swee"), é a quantidade de água líquida que existe em um volume de neve depois que ela derrete, e é deduzido da profundidade e densidade.

"As profundidades são simples de medir, no entanto, as profundidades costumam variar muito de um lugar para outro e isso requer muitas medições em diferentes lugares para obter uma boa estimativa, "disse Chris Hiemstra, um pesquisador em Fairbanks, Alasca, com o Laboratório de Engenharia e Pesquisa em Regiões Frias do Corpo de Engenheiros do Exército dos EUA (CRREL).

"A densidade é mais desafiadora porque muda com a idade da neve e as condições locais. Por exemplo, neve fresca e fria é leve e arejada, com apenas 5 a 10% de água em flocos, você pode mover-se com uma respiração leve. Em condições de neve mais quente no solo, flocos de neve nascidos da nuvem se fundem e se transformam em grãos redondos maiores de densidade mais alta. Com vento, neve foi soprada, quebrado e empacotado em montes, mas mesmo assim, é apenas 40-50% de água. A variabilidade em profundidades e densidades torna o mapeamento do SWE difícil. "

Neve úmida caindo em temperaturas próximas de zero (32 graus) normalmente tem uma densidade de cerca de 8-10 polegadas de neve igual a 1 polegada de SWE. Em outras palavras, seriam necessários cerca de 20 a 25 centímetros de neve úmida em temperaturas de congelamento para obter 1 polegada de água derretida. Em contraste, neve que cai em temperaturas mais frias, em torno de -4 graus, é muito menos denso:para obter 1 polegada de água derretida da neve nessas condições, você pode precisar de até 20 polegadas dele.

As missões de satélite atuais medem facilmente quanto da terra está coberta pela neve. Mas nenhum satélite atualmente em órbita contém um instrumento ou coleção de instrumentos projetados para medir o SWE e / ou as características da neve que podem ser usadas para calculá-lo.

Para o período de operação intensivo do SnowEx 2020, três semanas exaustivas de coleta de dados em um local, cientistas de todo o mundo viajaram para Grand Mesa, Colorado. É a maior mesa do mundo, ou montanha de topo plano, e aos 11, 000 pés acima do nível do mar, os invernos são longos e a neve pode ser profunda. Sua alta superfície plana e variedade de cobertura do solo - de prados abertos a florestas densas - o tornam perfeito para testar instrumentos em diferentes condições.

Através do frio cortante, luz do sol deslumbrante, forte nevasca e ventos fortes, a equipe terrestre cavou, amostrou e reabasteceu mais de 150 poços de neve:buracos do tamanho de um carro na neve que se estendem até o solo, permitindo que eles façam medições das paredes do poço e vejam como as características da neve variam de cima para baixo. Outros membros da equipe usaram sondas para medir quase 38, 000 profundidades de neve durante as três semanas de esqui ou caminhada na neve em uma área do tamanho de um campo de futebol ao redor dos poços.

A campanha SnowEx da NASA é um esforço de vários anos usando uma variedade de técnicas para estudar as características da neve, e a equipe concluiu sua segunda campanha de campo em março de 2020. SnowEx está aprendendo informações valiosas sobre como as propriedades da neve mudam de acordo com o terreno e ao longo do tempo, e eles também estão investigando as ferramentas, conjuntos de dados, e técnicas que a NASA precisará para coletar amostras de neve do espaço.

"A campanha SnowEx deste inverno coletou dados valiosos para avaliar várias técnicas de detecção de motos de neve. Não teria sido possível sem o trabalho árduo e o apoio de todos os participantes e parceiros que ajudaram, "disse Carrie Vuyovich, Cientista adjunto do projeto SnowEx 2020, cientista-chefe do programa Terrestrial Hydrology Snow da NASA e cientista físico do Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland.

"Nós podemos ver, e até mesmo ouvir, como as características da neve mudam de cima para baixo, "disse Hiemstra." A neve mais recente no topo é fofa e silenciosa. Abaixo disso, o vento o acumulou em camadas densas que raspam na pá. A neve no fundo é solta e tem bordas pontiagudas. Quando você se aprofunda nisso, pontas de gelo quebram e ressoam ao cair contra a pá. "

As equipes do poço também mediram o conteúdo de água da neve, temperatura, refletância e tamanho de partícula. Os pesquisadores usaram instrumentos manuais para medir a dureza da neve, microestrutura e profundidade ao redor dos poços. "Um desafio com essas observações pontuais é a comparação com observações aerotransportadas e espaciais, que têm pegadas da ordem de dezenas a milhares de metros, "disse HP Marshall, um professor associado da Boise State University, Idaho, pesquisador do CRREL e cientista do projeto SnowEx 2020.

A fim de compreender a variabilidade nas propriedades da neve dentro dessas grandes pegadas de sensoriamento remoto, a equipe dirigiu motos de neve em espirais precisas para coletar medições de radar ativas e passivas das camadas de neve, profundidade e conteúdo de água, com amostragem mais contínua.

"Quando você olha os dados mapeados ao longo da mesa, é incrível a quantidade de área que cobrimos. Existem padrões espaciais interessantes nos dados de profundidade da neve, onde a neve profunda se forma ao longo das bordas das áreas florestais, "disse Vuyovich." A profundidade da neve entre as árvores é menor e é média a céu aberto. Esta heterogeneidade de profundidade da neve é ​​principalmente devido à redistribuição do vento e realmente demonstra porque precisamos de tantas observações para validar as observações de sensoriamento remoto e testar nossos modelos. "

Enquanto as equipes de solo trabalhavam na neve, equipes aerotransportadas voaram linhas de vôo de precisão carregando combinações de instrumentos que fizeram medições semelhantes:radar e lidar (detecção de luz e alcance) para profundidade de neve, radar de microondas e radiômetros para SWE, câmeras ópticas para fotografar a superfície, radiômetros infravermelhos para medir a temperatura da superfície e imagens hiperespectrais para documentar a cobertura e a composição da neve. Um dos sete instrumentos foi desenvolvido e construído na NASA Goddard:o radar e radiômetro de abertura sintética equivalente à água da neve, ou SWESARR. Outro radar, o Radar de Abertura Sintética de Veículo Aéreo Desabitado, ou UAVSAR, veio do Laboratório de Propulsão a Jato da NASA.

As equipes também aproveitaram os viadutos de vários satélites da NASA, incluindo ICESat-2 e a missão Sentinel da NASA / Agência Espacial Europeia, para coletar dados adicionais para comparação. De volta ao solo, Vuyovich e sua equipe executaram uma série de modelos de computador para comparar com os dados coletados posteriormente, e veja como eles são comparados e podem ser combinados para análises futuras.

"O período em Grand Mesa foi tão bom, "disse Marshall." Toda a equipe de campo de 44 pessoas trabalhou incrivelmente duro, e em particular, muitos dos alunos mais jovens realmente se adiantaram. Estou entusiasmado com a nossa nova geração de cientistas da neve - eles farão grandes coisas. "

Um DHC-6 Twin Otter na pista sob céu nublado

A coordenação de instrumentos novos e maduros em uma variedade de condições e locais foi um desafio, Disse Marshall.

"Para uma campanha sazonal de neve no ar, O SnowEx 2020 é o único que voamos com sucesso tantos instrumentos no mesmo local, coordenado com extensas observações de campo, ", disse ele." Usar esses conjuntos de dados juntos vai ser realmente emocionante. Levará um longo caminho para uma melhor compreensão de como desenvolver um produto de SWE global que combine dados de vários satélites, dados de campo e modelagem. "

À medida que a neve derrete e fica mais úmida na primavera, torna-se mais desafiador medir. De dezembro de 2019 a março de 2020, equipes locais menores realizaram medições semanais do solo e pesquisas aéreas bimestrais em 13 locais que abrangem diferentes climas de neve, em cinco estados diferentes no oeste dos Estados Unidos.

Mesmo que a campanha tenha terminado cedo devido à pandemia de coronavírus, a grande variedade de locais de amostragem da equipe deu-lhes dados suficientes para validar e analisar, disse Vuyovich e Marshall. Durante cada sobrevoo, as equipes em cada local mediram e inseriram dados no sistema do National Snow and Ice Data Center projetado para SnowEx, e ambos os cientistas realizaram ligações regulares de check-in por meio de videoconferência.

"Definitivamente, havia desafios em gerenciar remotamente uma campanha tão grande, mas foi uma ótima experiência de aprendizado, "Vuyovich disse." Este tipo de campanha é valioso, so knowing what worked and didn't work has helped us talk about future years and how we might structure things differently."

The team's next step is to process and freely distribute the millions of data points they collected at Grand Mesa and during the time series, and they expect to begin finding results later in the year, said Marshall. "This large dataset will be used to help design a future spaceborne approach to mapping SWE globally, using a combination of ground observations, modelos, and satellite measurements. The SnowEx 2020 data will provide information to allow us to explore tradeoffs in cost, complexity and accuracy."