NASA tworzy nowe narzędzia do zarządzania wodą w miarę wzrostu zagrożeń klimatycznych

Stuart Rankin

Po niezwykle suchej zimie, późnej burzy w końcu przemoczony Kalifornia na początku marca, piętrząc kilka stóp śniegu przez wysokie granitowe zbiorniki w górach Sierra Nevada.

W niedzielny poranek, gdy pogoda się poprawiła, dwóch naukowców z NASA załadowało się na mały samolot na lotnisku Mammoth Yosemite, operacji na jednym pasie startowym, która rozciąga się przed szczytem piramidy Mount Morrison.

Po ostatnich kontrolach bezpieczeństwa piloci wzbili się w powietrze, upamiętniając inauguracyjny lot sezonu Airborne Snow Observatory. ASO to podwójnie turbośmigłowy Beechcraft King Air 90, wyposażony w parę czujników skierowanych przez szklane wycięcie w dolnej części samolotu. Lidar mierzy objętość górskiego śniegu, podczas gdy spektrometr mierzy jego współczynnik odbicia, zapewniając bardzo dokładne oszacowanie, ile wody spłynie z góry wiosną i kiedy przepłynie przez kalifornijskie labirynty zapór, zbiorników i akweduktów.

Dane pozwalają władzom wodnym bardziej ostrożnie zarządzać elektrowniami wodnymi ładującymi wodę, zasilając miasta i zasilając jeden z najbardziej produktywnych regionów rolniczych Stanów Zjednoczonych. Dobre wykonywanie tej pracy staje się coraz bardziej krytyczne, ponieważ państwo na przemian zmaga się z przedłużającymi się suszami i powszechne powodzie ponieważ wydaje się, że zmiany klimatyczne zwiększają zmienność sezonową.

Nie możesz zarządzać tym, czego nie możesz zmierzyć, mówi Thomas Painter, główny badacz w programie ASO, zarządzanym przez NASA Jet Propulsion Lab w Pasadenie.

Thomas Painter, główny badacz w programie Airborne Snow Observatory NASA, stoi przed przełomem San Joaquin. Świątynia Jakuba

bat klimatyczny

Sierra Nevada rozciąga się na 400 mil wzdłuż południowo-wschodniej granicy Kalifornii. Każdego roku jego topniejący śnieg dostarcza do trzeci stanu wody.

Zarządzanie tym zasobem to trudne zadanie. Operatorzy zbiorników muszą wypuszczać wystarczająco dużo, aby uniknąć powodzi, utrzymać ryby i ekosystemy, naładować wody gruntowe oraz zaopatrzyć miasta i przemysł. Ale muszą również trzymać się wystarczającej ilości, aby zaspokoić potrzeby rolników, firm i mieszkańców podczas suchych letnich miesięcy.

Program ASO rozpoczął badania śniegu wiosną 2013 roku, gdy niszcząca susza nawiedziła Kalifornię. Historyczna susza wymusiła obowiązkowe ograniczenia dotyczące wody, skazała ponad sto milionów drzew, nasiliła pożary i zmniejszyła zyski ogromnego przemysłu rolnego stanu. Potem nagle zatrzymał się zimą 2016–2017, gdy seria burz opadła prawie 95 cali deszczu w niektórych częściach Sierra, co oznacza drugi najbardziej deszczowy rok w historii Kalifornii.

Tego rodzaju wstrząs klimatyczny może stać się nawet dwukrotnie częstszy w stanie, napędzany przez rosnące temperatury, zwiększającą się ilość pary wodnej w atmosferze i inne zmiany klimatyczne, zgodnie z kwietniowym papier w Zmiany klimatu przyrody . Autorzy stwierdzili, że jednorazowe 200-letnie powodzie mogą występować co 40 lat w połowie wieku.

Według Daniela Swaina, głównego autora badania i klimatologa z Uniwersytetu Kalifornijskiego, całkowite opady mogą nie zmienić się znacząco w tych ostrych zmianach między bardzo suchymi i bardzo mokrymi latami, ale nie tylko się zmywają na końcu. Los Angeles. Masz wszystkie wady lat mokrych i lat suszy. Masz więcej zagrożeń, a mniej korzyści płynących z tej wody.

Wśród takich turbulencji przewidywania, które program NASA ASO może zapewnić w przypadku zmieniających się warunków śnieżnych, będą miały kluczowe znaczenie dla zarządzania wodą w systemie zaprojektowanym z myślą o klimacie przeszłości, mówi Swain.

W mokrych latach program pomaga operatorom zbiorników zapobiegać przelewaniu się wody do basenów i zalewowi społeczności położonych w dole rzeki. W suchych latach dane pozwalają im efektywniej wykorzystywać ograniczone zapasy. Dla Friant Water Authority, która zarządza tamą i kanałami, które zasilają milion akrów pól uprawnych w Central Valley, oznacza to wykorzystanie większej ilości wody do uprawy stanowych owoców i warzyw, mówi Jeff Payne, dyrektor ds. polityki wodnej agencji publicznej.

Lasery odbijające

Po pokonaniu stromej wschodniej ściany pasma, samolot dotarł do położonego na dużej wysokości odcinka basenu San Joaquin, który przechowuje wodę w jej zamarzniętej postaci, aż do chwili, gdy każdej wiosny potrzebują jej tysiące farm okręgu Friant.

Dan Berisford, brodaty, 38-letni technolog NASA, ubrany w dzianinową czapkę i lustrzane okulary przeciwsłoneczne, siedział na tylnym lewym siedzeniu przed monitorem lidarowym. Nacisnął przełącznik, który zainicjował zbieranie danych z czujnika.

Samolot wycinał ścieżkę kosiarki nad terenem, pokonując długie linie przed przechyleniem o 180 stopni. Lidar emituje pulsujące wiązki laserowe setki tysięcy razy na sekundę, przesuwając się w poprzek krajobrazu. Mierząc czas potrzebny na odbicie światła od powierzchni i powrót do czujnika, oprogramowanie urządzenia jest w stanie wykreślić trójwymiarową mapę powierzchni śniegu. Łącząc te informacje z wcześniejszymi obserwacjami, naukowcy są w stanie obliczyć ekwiwalent wody śnieżnej, czyli całkowitą objętość wody zmagazynowanej w zlewni w tym momencie.

Głównym zadaniem Berisforda w samolocie jest kontrola jakości, obserwowanie charakterystycznych oznak, że światło odbija się od chmur lub wilgoci w powietrzu.

Airborne Snow Observatory NASA, Beechcraft King Air 90, na lotnisku Mammoth Yosemite. Jakuba Świątynię

Spektrometr pracuje w tym samym czasie. Zasadniczo jest to kamera, ale taka, która może wykryć światło daleko poza zasięgiem ludzkiego oka. Określa, ile światła słonecznego padającego na śnieg odbija się od powierzchni.

Świeży śnieg silnie odbija światło, co spowalnia topnienie i pomaga odprowadzać ciepło z powrotem do atmosfery. Ale śnieg staje się coraz mniej odblaskowy, gdy kryształki lodu łączą się i rosną, a zanieczyszczenie powietrza i burze zaśmiecają pola ciemnymi, pochłaniającymi plamy w postaci kurzu i sadzy.

Berisford mówi, że określenie zmieniających się poziomów w sposób refleksyjny pomaga zespołowi obliczyć, jak szybko stopi się śnieg i kiedy ostatecznie dotrze do zbiorników w dolnym biegu rzeki.

Najdokładniejszy

Kalifornijczycy od ponad wieku próbują dokładnie zmierzyć śnieg w Sierra. Każdej zimy Kalifornijski Departament Zasobów Wodnych wysyła geodetów na nartach biegowych i rakietach śnieżnych do setek wyznaczonych miejsc, gdzie zanurzają oni aluminiowe rurki pomiarowe głęboko w śniegu. Dane te są uzupełniane przez ponad sto zdalnych stacji czujników rozmieszczonych w całym zakresie, w których poduszki śnieżne dostarczają dane szacunkowe na podstawie przesuwającego się ciężaru śniegu nad nimi.

Ale te migawki często nie dają dokładnego obrazu tych rozległych, wysokogórskich zlewisk. Za kilka lat szacowana ilość wody, która ostatecznie dociera do zbiorników, takich jak system Hetch Hetchy, który obsługuje prawie trzy miliony klientów w całym San Francisco, może spaść nawet o 40 procent. To plus lub minus dziesiątki miliardów galonów wody.

Ale po pięciu latach działania, przez lata bardzo mokre, bardzo suche i średnie, wskaźnik błędów programu NASA wynosi średnio około 2 procent, mówi Painter.

To najdokładniejsza ankieta na temat śniegu, jaką kiedykolwiek przeprowadzono, mówi.

Pomiar z kosmosu

Jak dotąd program NASA ASO, który przechodzi z fazy pilotażowej do fazy operacyjnej, obejmował tylko około jednej trzeciej Sierra. Ale NASA, Kalifornijski Departament Zasobów Wodnych i kilka dystryktów wodnych starają się rozszerzyć ją na całą Kalifornię. To wymagałoby dodatkowych samolotów, obiektów i kilku milionów rocznych funduszy. Przedstawiciele Friant Water Authority i innych okręgów wodnych prowadzili dyskusje z ustawodawcami, aby odłożyć pieniądze na program.

Painter mówi, że NASA prowadzi również dyskusje na temat podjęcia podobnych działań w basenie Kolumbii rozciągającym się przez Oregon, Waszyngton i Kanadę oraz dorzecza rzeki Kolorado, gdzie również przeprowadziły wczesne loty badawcze.

Powiązana historia

Powiązana historia Coraz potężniejsze modele klimatyczne Lawrence Livermore Lab stanowią surowe ostrzeżenie dla Kalifornii.

Ostateczne cele NASA są znacznie wyższe. Centrum Lotów Kosmicznych Goddarda w Greenbelt w stanie Maryland przeprowadza serię testów na pokrytych śniegiem górach i płaskowyżach wokół Grand Mesa w stanie Kolorado. Celem wieloletniego projektu badawczego, znanego jako SnowEx , jest ustalenie, jaka kombinacja czujników i technik umożliwi NASA pomiar ekwiwalentu wody śnieżnej z kosmosu.

W obecnej postaci obecne satelity mogą określić jedynie zasięg śniegu na kontynentach, a nie ilość zawartej w nim wody.

Wysiłek ten może pomóc innym regionom na całym świecie zmagać się z takimi samymi problemami związanymi z wodą i niepewnością jak Kalifornia. Może również dostarczyć danych na temat zmieniającego się współczynnika odbicia planety wraz ze wzrostem temperatury i gromadzeniem się mniejszej ilości śniegu, oferując wgląd w kluczowy mechanizm sprzężenia zwrotnego zmiany klimatu.

Potrzebujemy misji satelitarnej, która może mierzyć śnieg na całym świecie, powiedział Charles Gatebe, zastępca naukowca projektu w SnowEx. Poszukujemy narzędzi.

Trudno się dostosować

Ale ostatecznie więcej i lepszych informacji może zdziałać tylko tak wiele.

Jeśli wzorce opadów zmienią się tak bardzo, jak przewiduje to badanie Swaina, sytuacja będzie wymagała znacznie większych zmian w infrastrukturze wodnej i praktykach Kalifornii. A przystosowanie się do nowej normy jest trudne, gdy nową normą jest zmienność.

Warto zauważyć, że niektórzy twierdzą, że coraz częstsze susze będą wymagały od państwa budowy dodatkowych zbiorników. Ale ten sam środek zwiększyłby ryzyko powodzi w mokrych latach, gdy ulewne deszcze nad basenami.

Inni eksperci ds. gospodarki wodnej w Kalifornii uważają, że stan będzie musiał opracować znacznie bardziej elastyczny system, opierając się bardziej na naturalnych równinach zalewowych i warstwach wodonośnych niż na zbiornikach stworzonych przez człowieka. Będzie to wymagało zupełnie innej infrastruktury, prawdopodobnie obejmującej wały, rurociągi i kanały, aby chronić społeczności i transportować wodę.

To może być najbardziej obiecujący sposób na zmniejszenie ryzyka, mówi Swain. Ale szczerze, to będzie trudne wyzwanie. Trudno będzie się dostosować.

ukryć