Les flocons de neige qui recouvrent les montagnes ou s'attardent sous la canopée des arbres sont une ressource vitale en eau douce pour plus d'un milliard de personnes dans le monde. Pour aider à déterminer la quantité d'eau douce stockée dans la neige, une équipe de chercheurs financés par la NASA crée un outil informatique qui simule la meilleure façon de détecter la neige et de mesurer sa teneur en eau depuis l'espace.

Teneur en eau de la neige, ou équivalent d'eau de neige (SWE) est un "Saint Graal pour de nombreux hydrologues, " a déclaré Bart Forman, chercheur principal du projet et professeur à l'Université du Maryland, Parc du Collège. Quand la neige fond, la flaque d'eau qui s'ensuit est son SWE.

Dans les États de l'ouest des États-Unis, la neige est la principale source d'eau potable et l'eau de la neige est un contributeur majeur à la production d'énergie hydroélectrique et à l'agriculture.

Certains changements dans la configuration des chutes de neige sont des indicateurs du changement climatique. Par exemple, les températures plus chaudes font tomber l'eau sous forme de pluie au lieu de neige. Par conséquent, certaines montagnes ne sont plus capables de retenir l'eau sous forme de manteau neigeux comme avant, ce qui signifie que la pluie inonde les rivières et que les inondations sont plus intenses. À la fin de la saison des crues, les sécheresses peuvent être plus sévères.

La nouvelle approche de Forman fait suite aux efforts de la NASA pour étudier SWE à partir de satellites, les avions et le terrain. Le spectroradiomètre imageur à résolution moyenne (MODIS) est un instrument à bord de deux satellites qui capture des images quotidiennes de la Terre. MODIS peut identifier les terres enneigées et la glace sur les lacs et les grandes rivières. La mission mondiale de mesure des précipitations (GPM), une constellation internationale de satellites, peut observer la pluie et les chutes de neige sur l'ensemble du globe toutes les deux à trois heures.

En plus des observations spatiales, La NASA mène une campagne plus près de chez nous appelée SnowEX. La campagne est un programme de cinq ans qui comprend des observations aéroportées, puis un travail sur le terrain pour révéler ce que les efforts des satellites ne font pas. SnowEX permet aux chercheurs d'examiner des terrains complexes qui peuvent être difficiles à caractériser depuis l'espace. La campagne de l'hiver prochain collaborera avec l'Observatoire aéroporté de la neige, qui mesure l'épaisseur de la neige et les caractéristiques de la neige.

L'importance de la neige et de son eau

« Nous aimerions avoir une carte mondiale de la SWE, " dit Edward Kim, chercheur au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland. Cependant, il n'y a pas de technique unique qui puisse mesurer l'ESE à l'échelle mondiale car les propriétés de la neige varient en fonction de l'endroit où elle atterrit, dit Kim. Il forme souvent une couche plus profonde dans les forêts, où il est à l'abri du soleil, mais garde un profil moins profond dans la toundra et la prairie, où il est exposé au vent et à des températures plus élevées.

La neige change de forme au fur et à mesure qu'elle tombe à la surface, puis continue de changer dans son lieu de repos. Sa forme peut déterminer quel capteur est capable de l'observer, Kim a dit, ajoutant une autre complexité à la SWE estimée.

Le nouvel outil de Forman et de son équipe déterminera la combinaison la plus efficace de capteurs satellitaires pour produire le plus de données. "L'outil va nous montrer comment faire des choix intelligents sur la façon de combiner des capteurs, ", a déclaré Kim.

Une histoire de différents capteurs

L'outil évalue trois types différents de capteurs en orbite terrestre :radar, radiomètre, et lidar.

L'équipe a examiné les informations radar et radiomètre des capteurs existants, tels que le radiomètre Advanced Microwave Scanning Radiometer 2 (AMSR2). Le capteur a été lancé dans le cadre d'un partenariat dirigé par l'Agence japonaise d'exploration aérospatiale (JAXA) pour capturer les émissions de micro-ondes de la surface et de l'atmosphère de la Terre. Il vise à identifier l'enneigement, températures de surface de la mer, l'humidité du sol et d'autres facteurs essentiels à la compréhension du climat de la Terre.

Pour les observations radar, l'équipe a inclus des données des satellites Copernicus Sentinel 1A et 1B de l'Agence spatiale européenne (ESA), qui surveillent les surfaces terrestres et océaniques.

En plus d'inclure des capteurs radar et radiomètre, qui surveillent actuellement la neige depuis l'espace, la simulation du nouvel outil inclut le lidar; lidar a volé à bord d'avions pour mesurer la neige sur des zones spécifiées. Par exemple, la campagne SnowEx et l'observatoire aéroporté de la neige de la NASA utilisent le lidar pour déterminer la profondeur de la neige et le SWE. "Nous pouvons aider à explorer la question, Et si nous avions une mission satellite d'observation centrée sur la neige dans l'espace ? », a déclaré Forman.

Des supercalculateurs et des satellites

« Pour faire tout cela, il faut utiliser des supercalculateurs, " a déclaré Forman. Plus précisément, le Discover Supercomputer à Goddard et le cluster Deepthought2 High-Performance Computing à l'Université du Maryland.

Une fois les données des différents capteurs dans l'outil de simulation, l'équipe est capable de mener des expériences qui incluent différents scénarios, comme mettre un satellite sur une orbite par rapport à une autre, ou avoir un regard satellite sur une large bande par rapport à une bande étroite de la Terre. Avec cette suite d'expériences, ils peuvent comparer les performances d'une certaine combinaison par rapport à un scénario de référence, dit Forman.

En règle générale, avec plus de satellites en orbite, les scientifiques auraient des données de meilleure qualité, dit Forman. Cependant, "Nous pouvons demander, quel est le gain marginal si nous avions un radiomètre de plus ?", a déclaré Forman.

Le nouvel outil de simulation de détection de la neige aidera à créer une stratégie d'observation de la neige dans l'espace pour mieux comprendre cette ressource vitale en eau douce. Le simulateur sera utilisé pour "continuer à poser des questions sur ce qui devrait être le prochain et comment nous devrions planifier dans 20 ans ou plus, " a déclaré Forman.

Ce nouvel outil de simulation de neige est financé par le Earth Science Technology Office de la NASA.