Les 2 premiers pouces de couche arable sur toutes les masses continentales de la Terre contiennent une fraction infinitésimale de l'eau de la planète, moins d'un millième de pour cent. Pourtant, en raison de sa position à l'interface entre la terre et l'atmosphère, cette infime quantité joue un rôle crucial dans tout, de l'agriculture à la météo et au climat, et même la propagation de la maladie.

Le comportement et la dynamique de ce réservoir d'humidité ont été très difficiles à quantifier et à analyser, cependant, car les mesures ont été lentes et laborieuses à faire.

Cette situation a changé avec le lancement en 2015 d'un satellite de la NASA appelé SMAP (Soil Moisture Active Passive), conçu pour fournir des mesures globales et fréquentes de l'humidité dans cette couche supérieure du sol. La première année de données d'observation du SMAP a maintenant été analysée et réserve des surprises importantes qui aideront à la modélisation du climat, prévision météorologique, et la surveillance de l'agriculture dans le monde.

Ces nouveaux résultats sont rapportés dans la revue Géosciences de la nature , dans un article du chef de l'équipe scientifique SMAP, Dara Entekhabi, récent diplômé du MIT Kaighin McColl PhD '16, et quatre autres. Entekhabi est professeur au laboratoire Ralph M. Parsons pour les sciences et l'ingénierie environnementales du département de génie civil et environnemental du MIT.

Les observations SMAP fournissent un niveau sans précédent de détails, des informations mondiales sur la quantité d'eau dans ces 2 premiers pouces (5 centimètres) de sol, collectés dans le monde tous les deux à trois jours. Entekhabi dit que c'est important parce que cette couche mince est un élément clé du cycle mondial de l'eau sur les continents, et aussi un facteur clé dans les cycles mondiaux de l'énergie et du carbone.

Précipitations sur terre, et l'évaporation de cette humidité de la terre, "transfère de grandes quantités d'énergie" entre les continents et l'atmosphère, Entekhabi dit, et le climat de la Terre serait radicalement différent sans cet élément. Les océans, contenant 97 pour cent de l'eau de la Terre, jouer un rôle majeur dans le stockage et le dégagement de la chaleur, mais sur terre, ce rôle est assuré par l'humidité de la couche supérieure du sol, bien que par des mécanismes différents. Cette humidité "est un minuscule, infime fraction du bilan hydrique, mais il se trouve dans une zone très critique à la surface du sol, et joue un rôle disproportionné dans le cycle de l'eau, " dit-il. " Il joue un rôle important dans la modération du climat, sur des échelles de temps saisonnières et annuelles.

Mieux comprendre ces cycles, grâce aux nouvelles données, pourrait aider à rendre les prévisions météorologiques plus précises sur des échelles de temps plus longues, ce qui pourrait être une aubaine importante pour l'agriculture. Plusieurs agences fédérales ont déjà commencé à utiliser les données SMAP, Entekhabi dit, par exemple, pour aider à rendre les prévisions des conditions de sécheresse et d'inondation plus précises.

"Le satellite fournit une qualité extraordinaire d'informations sur l'humidité du sol en surface qui rend cette analyse possible, " dit-il. La mission principale du satellite de trois ans est à peu près à mi-chemin, il dit, mais l'équipe travaille à postuler pour une mission prolongée qui pourrait durer jusqu'à une décennie.

L'une des grandes surprises des nouvelles données est que ce niveau supérieur du sol conserve une "mémoire" des anomalies météorologiques, plus que ce qui avait été prédit par la théorie et plus tôt, mesures plus clairsemées. La mémoire fait référence à la persistance des effets de quantités anormalement élevées ou faibles de précipitations. Contrairement aux attentes de la plupart des chercheurs, il s'avère que ces effets persistent pendant quelques jours, plutôt que quelques heures. En moyenne, environ un septième de la quantité de pluie qui tombe est encore présent dans cette couche de sol la plus élevée trois jours après sa chute - et cette persistance est la plus élevée dans les régions les plus sèches.

Les données montrent également un effet de rétroaction important qui peut amplifier les effets des sécheresses et des inondations, dit Entekhabi. Lorsque l'humidité s'évapore du sol humide, il refroidit le sol dans le processus, mais quand le sol devient trop sec ce refroidissement diminue, ce qui peut conduire à un temps plus chaud et à des vagues de chaleur qui prolongent et aggravent les conditions de sécheresse. De tels effets "avaient été spéculés, " il dit, "mais n'avait pas été observé directement."

La mission SMAP en cours offre également des opportunités éducatives qui aident à vérifier et à calibrer les données satellitaires. Avec un équipement minimal, les étudiants peuvent participer à des cours pratiques de collecte de données, en utilisant des méthodes de mesure considérées comme l'étalon-or. Par exemple, ils peuvent recueillir un échantillon de sol dans un volume fixe comme une boîte de thon, et le peser avant et après séchage. La différence entre les deux poids donne une mesure précise de la teneur en eau du sol dans ce volume, qui peut être comparé à la mesure d'humidité du satellite.

Même les jeunes étudiants "peuvent effectuer des mesures 'gold standard', et il suffit d'une balance de cuisine et d'un four, " dit Entekhabi. "Mais c'est très laborieux. Nous nous sommes donc engagés avec des écoles du monde entier pour effectuer ces mesures. »