Alors que les températures printanières et estivales reviennent dans l'hémisphère nord, la neige de l'hiver fond, libérant de l'eau douce précieuse dans les cours d'eau de la Terre, rivières et océans. Ce changement annuel fournit de l'eau liquide pour la consommation, l'agriculture et l'hydroélectricité pour plus d'un milliard de personnes dans le monde. À l'avenir, La NASA prévoit d'utiliser une mission satellite pour mesurer la quantité d'eau contenue dans le manteau neigeux hivernal du monde, et pour ce faire, ils ont besoin de savoir quelle combinaison d'instruments et de techniques mesurera efficacement ces informations depuis l'espace.

S'unir pour mesurer l'eau de la neige

Équivalent eau neige, ou SWE (prononcé "swee"), est la quantité d'eau liquide dans un volume de neige une fois qu'elle a fondu, et se déduit de la profondeur et de la densité.

"Les profondeurs sont simples à mesurer, pourtant les profondeurs varient souvent beaucoup d'un endroit à l'autre et cela nécessite beaucoup de mesures à différents endroits pour obtenir une bonne estimation, " a déclaré Chris Hiemstra, un chercheur à Fairbanks, Alaska, avec le Laboratoire d'ingénierie et de recherche sur les régions froides du Corps of Engineers des États-Unis (CRREL).

« La densité est plus difficile car elle change avec l'âge de la neige et les conditions locales. À titre d'exemple, les chutes de neige fraîches et froides sont légères et aérées, avec seulement 5 à 10 % d'eau en flocons, vous pouvez vous déplacer d'un souffle léger. Dans des conditions de manteau neigeux plus chaud au sol, les flocons de neige portés par les nuages ​​fusionnent et se transforment en grains ronds collés plus gros et de densité plus élevée. Avec le vent, la neige est soufflée, brisé et emballé dans des congères, mais même alors, c'est seulement 40-50% d'eau. La variabilité des profondeurs et des densités rend SWE difficile à cartographier."

La neige mouillée tombant à des températures avoisinant le point de congélation (32 degrés) a généralement une densité d'environ 8 à 10 pouces de neige équivalant à 1 pouce de SWE. En d'autres termes, il faudrait environ 8 à 10 pouces de neige mouillée à des températures glaciales pour obtenir 1 pouce d'eau fondue. En revanche, la neige qui tombe à des températures plus froides, environ -4 degrés, est beaucoup moins dense :pour obtenir 1 pouce d'eau fondue de la neige dans ces conditions, vous pourriez en avoir besoin jusqu'à 20 pouces.

Les missions satellitaires actuelles mesurent facilement la quantité de terre couverte de neige. Mais aucun satellite actuellement en orbite ne contient un instrument ou une collection d'instruments conçus pour mesurer le SWE et/ou les caractéristiques de la neige qui peuvent être utilisés pour le calculer.

Pour la période d'exploitation intensive de SnowEx 2020, trois semaines épuisantes de collecte de données sur un site, des scientifiques du monde entier se sont rendus à Grand Mesa, Colorado. C'est la plus grande mesa du monde, ou montagne au sommet plat, et à 11 ans 000 pieds au-dessus du niveau de la mer, les hivers sont longs et la neige peut être profonde. Sa surface plane élevée et sa variété de couverture végétale, des prairies ouvertes aux forêts denses, le rendent parfait pour tester les instruments dans différentes conditions.

Par le froid mordant, soleil éblouissant, fortes chutes de neige et vents violents, l'équipe au sol a creusé, échantillonné et rempli plus de 150 fosses à neige :trous de la taille d'une voiture dans la neige qui s'étendent jusqu'au sol, leur permettant de prendre des mesures des parois de la fosse et de voir comment les caractéristiques de la neige varient de haut en bas. D'autres membres de l'équipe ont utilisé des sondes pour mesurer près de 38, 000 épaisseurs de neige pendant les trois semaines en skiant ou en raquettes dans un espace de la taille d'un terrain de football autour des stands.

La campagne SnowEx de la NASA est un effort pluriannuel utilisant diverses techniques pour étudier les caractéristiques de la neige, et l'équipe a terminé sa deuxième campagne sur le terrain en mars 2020. SnowEx apprend des informations précieuses sur la façon dont les propriétés de la neige changent selon le terrain et au fil du temps, et ils étudient également les outils, ensembles de données, et les techniques dont la NASA aura besoin pour échantillonner la neige depuis l'espace.

"La campagne SnowEx de cet hiver a collecté des données précieuses pour évaluer plusieurs techniques de détection de neige à distance. Cela n'aurait pas été possible sans le travail acharné et le soutien de tous les participants et partenaires qui ont aidé, " a déclaré Carrie Vuyovich, Scientifique adjoint du projet SnowEx 2020, scientifique principal du programme Terrestrial Hydrology Snow de la NASA et physicien au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland.

"Nous pouvons voir, et même entendre, comment les caractéristiques de la neige changent de haut en bas, " a déclaré Hiemstra. " La neige la plus récente au sommet est moelleuse et calme. En dessous, le vent l'a compacté en couches denses qui raclent sur la pelle. La neige vers le bas est meuble et a des bords pointus. Quand tu creuses dedans, les points glacés claquent et sonnent lorsqu'ils tombent contre la pelle."

Les équipes de la mine ont également mesuré la teneur en eau de la neige, Température, réflectance et taille des particules. Les chercheurs ont utilisé des instruments portatifs pour mesurer la dureté de la neige, microstructure et profondeur autour des fosses. "Un défi avec ces observations ponctuelles est la comparaison avec les observations aéroportées et spatiales, qui ont des empreintes de l'ordre de dizaines à milliers de mètres, " a déclaré HP Marshall, professeur agrégé à la Boise State University, Idaho, chercheur au CRREL et scientifique du projet SnowEx 2020.

Afin de comprendre la variabilité des propriétés de la neige au sein de ces plus grandes empreintes de télédétection, l'équipe a conduit des motoneiges en spirales précises pour recueillir des mesures radar actives et passives des couches de neige, profondeur et teneur en eau, avec un échantillonnage plus continu.

"Lorsque vous regardez les données cartographiées à travers la mesa, c'est incroyable la superficie que nous avons couverte. Il existe des modèles spatiaux intéressants dans les données de profondeur de neige, où la neige épaisse se forme tout le long des lisières des zones boisées, " a déclaré Vuyovich. " Il y a une profondeur de neige moins profonde parmi les arbres et elle est moyenne à l'air libre. Cette hétérogénéité d'épaisseur de neige est principalement due à la redistribution du vent et démontre vraiment pourquoi nous avons besoin d'autant d'observations pour valider les observations de télédétection et tester nos modèles."

Pendant que les équipes au sol travaillaient dans la neige, des équipes aéroportées ont survolé des lignes de vol de précision portant au-dessus des combinaisons d'instruments qui ont effectué des mesures similaires :radar et lidar (détection et télémétrie de la lumière) pour la profondeur de la neige, radar micro-ondes et radiomètres pour SWE, des caméras optiques pour photographier la surface, des radiomètres infrarouges pour mesurer la température de surface et des imageurs hyperspectraux pour documenter la couverture et la composition de la neige. L'un des sept instruments a été développé et construit à la NASA Goddard :The Snow Water Equivalent Synthetic Aperture Radar and Radiometer, ou SWESARR. Un autre radar, le radar à synthèse d'ouverture de véhicule aérien inhabité, ou UAVSAR, provenait du Jet Propulsion Laboratory de la NASA.

Les équipes ont également profité des passages supérieurs de plusieurs satellites de la NASA, dont ICESat-2 et la mission Sentinel NASA/Agence spatiale européenne, pour collecter des données supplémentaires à comparer. De retour au sol, Vuyovich et son équipe ont exécuté une gamme de modèles informatiques à comparer avec les données recueillies plus tard, et voyez comment ils se comparent et peuvent être combinés pour de futures analyses.

"La période à Grand Mesa s'est si bien passée, " a déclaré Marshall. " L'ensemble de l'équipe de terrain de 44 personnes a travaillé incroyablement dur, et en particulier, beaucoup d'étudiants plus jeunes ont vraiment intensifié. Je suis enthousiasmé par notre génération montante de scientifiques de la neige, ils feront de grandes choses. »

Un DHC-6 Twin Otter se trouve sur la piste sous un ciel nuageux

La coordination d'instruments nouveaux et matures dans une variété de conditions et d'emplacements était difficile, dit Marshall.

"Pour une campagne aéroportée de neige saisonnière, SnowEx 2020 est unique en ce sens que nous avons fait voler avec succès autant d'instruments au même endroit, coordonné avec des observations approfondies sur le terrain, " at-il dit. " L'utilisation de ces ensembles de données ensemble va être vraiment excitant. Il nous faudra un long chemin vers une meilleure compréhension de la façon de développer un produit SWE mondial qui combine les données de plusieurs satellites, données de terrain et modélisation."

Alors que la neige fond et devient plus humide au printemps, il devient plus difficile à mesurer. De décembre 2019 à mars 2020, des équipes locales plus petites ont effectué des mesures au sol hebdomadaires et des relevés aériens bimensuels sur 13 sites couvrant différents climats de neige, dans cinq États différents de l'ouest des États-Unis.

Même si la campagne s'est terminée tôt en raison de la pandémie de coronavirus, the team's wide variety of sampling sites gave them enough data to validate and analyze, said Vuyovich and Marshall. During each overflight, teams at each site measured and entered data into the National Snow and Ice Data Center's system designed for SnowEx, and both scientists conducted regular check-in calls via videoconferencing.

"There were definitely challenges in remotely managing such a large campaign, but it was a great learning experience, " Vuyovich said. "This kind of campaign is valuable, 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, models, and satellite measurements. The SnowEx 2020 data will provide information to allow us to explore tradeoffs in cost, complexity and accuracy."