Randall Bonnell (à gauche), Doctorant à la Colorado State University, et Lucas Zeller (à droite), Étudiant à la maîtrise à l'Université d'État du Colorado, tirez le traîneau GPR au col Cameron, Colorado. Crédit :Alex Olsen Mikitowicz.
Alors que la dernière neige fond, Les équipes SnowEx de la NASA emballent les raquettes, des skis, et des instruments scientifiques qu'ils ont utilisés tout l'hiver pour étudier la neige dans les montagnes et les prairies. Maintenant, ils tournent leur attention vers un autre type de montagne—toutes les données qu'ils ont recueillies.
Cette année, Les équipes SnowEx ont pris des mesures de neige sur six sites à travers l'ouest des États-Unis, au sol et avec des drones et des avions volant au-dessus. Cette information aidera les scientifiques à déterminer la quantité d'eau contenue dans le manteau neigeux hivernal, cruciale pour la gestion des ressources en eau potable, agriculture, l'hydroélectricité, prévision des crues, gestion de la sécheresse et des incendies de forêt et plus encore.
En plus d'étudier la neige, Les chercheurs de SnowEx évaluent également la précision avec laquelle diverses techniques peuvent mesurer la neige dans différents environnements. À l'avenir, La NASA espère lancer un satellite dédié à l'étude de la neige - et de l'eau qu'elle stocke - depuis l'espace, afin de comprendre comment les changements dans le manteau neigeux affectent les sécheresses, feux de forêt, et plus. L'un des principaux objectifs de la campagne pluriannuelle SnowEx est de déterminer quels instruments peuvent être les mieux adaptés pour le travail.
"Nous n'allons pas résoudre le problème de la surveillance de la neige depuis l'espace avec une seule technologie, " a déclaré HP Marshall, professeur agrégé à la Boise State University et co-scientifique du projet SnowEx 2021. "Une grande partie de SnowEx est de trouver la meilleure façon de combiner le travail sur le terrain, télédétection, et la modélisation dans un seul cadre."
En 2020, la campagne SnowEx a été écourtée en raison de la pandémie de COVID-19 et l'équipe n'a pas pu terminer ses expériences aéroportées. Pour 2021, l'équipe scientifique avait trois objectifs principaux :effectuer une série chronologique d'observations par radar interférométrique à synthèse d'ouverture (InSAR) en bande L dans diverses conditions de neige, mesurer la réflectivité de la surface de la neige, et étudier la répartition de la neige dans un paysage de prairie.
Isis Branger, un doctorant invité de la KU Leuven en Belgique, examine les cristaux de neige près de Stanley, Idaho. Crédit :HP Marshall, Université d'État de Boise
Un avion Gulf Stream 3, transportant l'instrument radar à ouverture synthétique de véhicule aérien inhabité (UAVSAR) du Jet Propulsion Laboratory de la NASA, a survolé sept sites dans le Colorado, Utah, Idaho et Montana de mi-janvier à fin mars. UAVSAR est un InSAR en bande L, un type spécial de radar, que SnowEx utilise pour mesurer les changements dans la masse du manteau neigeux.
La masse du manteau neigeux peut changer radicalement d'un vol UAVSAR à l'autre. Par exemple, une grosse tempête de neige peut déverser des quantités massives de neige dans une zone sur une courte période de temps. Une partie de la neige peut fondre ou se sublimer, sautant la phase liquide et passant directement du solide au gaz. Il peut également être redistribué par des vents violents.
L'équipe SnowEx teste dans quelle mesure le capteur UAVSAR peut détecter ces différents changements dans la masse de la neige. Résumer les changements de masse de neige au cours de la saison hivernale aidera l'équipe à calculer la quantité d'eau stockée dans le manteau neigeux saisonnier, ou équivalent neige-eau (SWE). "Avec UAVSAR, ce que nous examinons, c'est le changement de SWE d'un vol à l'autre, " a déclaré Carrie Vuyovich, chercheur en chef des neiges pour le programme d'hydrologie terrestre de la NASA, au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland.
Prévu pour 2022, La NASA et l'Organisation indienne de recherche spatiale (ISRO) prévoient de lancer le satellite NISAR pour étudier les changements de la surface de la Terre depuis l'espace. NISAR emportera un instrument radar en bande L similaire à UAVSAR, et l'équipe SnowEx teste comment ils peuvent utiliser les observations NISAR pour étudier la neige.
Alors que les avions survolaient, les scientifiques ont collecté des données sur le terrain ci-dessous. Ils ont mesuré les caractéristiques de la neige telles que l'épaisseur et la densité de la neige, la taille des grains de neige individuels, Température, à quel point la surface de la neige est réfléchissante, et quelle quantité du manteau neigeux est de la glace, neige ou eau liquide. L'équipe a collecté ces mesures dans des fosses à neige, des trous de la taille d'une voiture creusés dans la neige. De l'intérieur des fosses, les scientifiques ont prélevé des échantillons à différentes profondeurs pour voir comment les caractéristiques du manteau neigeux variaient d'une couche à l'autre.
Randall Bonnell et Lucas Zeller, étudiants diplômés de la Colorado State University, prélever une carotte équivalente à l'eau de la neige sur le site du col Cameron, Colorado. Crédit :Dan McGrath, Université d'État du Colorado
Les observateurs de SnowEx ont également mesuré le manteau neigeux à l'aide d'outils de télédétection au sol similaires à ceux utilisés depuis les airs et l'espace. Les données collectées pendant SnowEx sont accessibles au public auprès du National Snow and Ice Data Center; de plus en plus d'ensembles de données sont publiés chaque mois au fur et à mesure que des scientifiques de tout le pays terminent le traitement de chacun des ensembles de données brutes et vérifient soigneusement qu'il n'y a pas d'erreurs.
Les scientifiques en raquettes ou à skis ont également utilisé des spectromètres portables pour mesurer l'albédo, ou à quel point la surface de la neige est brillante et réfléchissante. L'albédo joue un rôle important dans la vitesse à laquelle la neige fond. Cela dépend de plusieurs facteurs, tels que la taille et la forme des cristaux de neige individuels, combien de neige a déjà fondu, et les impuretés comme la poussière sur la neige.
De l'air, les chercheurs ont mesuré l'albédo à l'aide du spectromètre d'imagerie visible/infrarouge aéroporté (AVIRIS) de nouvelle génération du Jet Propulsion Laboratory de la NASA. La comparaison des mesures aériennes et terrestres aidera les scientifiques à identifier comment différents facteurs contribuent à l'albédo de la neige.
Cette année, SnowEx a ajouté un site dans une prairie, qui est un paysage important mais sous-étudié en matière de science de la neige. Alors que la quantité de neige dans les prairies est bien inférieure à celle qui tombe dans les montagnes, "un grand pourcentage de la Terre couverte de neige est considérée comme une prairie. La neige dans ces régions est importante pour l'agriculture et contribue aux inondations, " a déclaré Vuyovitch.
Ces paysages exposés ont souvent des vents violents qui déplacent la neige d'un endroit à l'autre, formant de profondes congères dans certaines régions et ne laissant qu'une légère couche de neige dans d'autres. En raison de ces variations, l'équipe SnowEx voulait voir dans quelle mesure la télédétection peut détecter ces grands changements dans la couverture neigeuse sur de courtes distances.
Toutes les expériences se sont bien déroulées malgré la pandémie, dit Maréchal. « Il y a toujours des défis, " il a dit, citant les risques d'hypothermie, avalanches et conditions routières dangereuses. "Mais COVID était un gros défi supplémentaire auquel nous n'étions pas habitués à faire face." Pour s'assurer que tout le monde était en sécurité, l'équipe a mis en œuvre des tests COVID-19 de routine, masques, protocoles de distanciation sociale, et nombre limité de passagers dans les véhicules.
Les équipes SnowEx ont également recruté des scientifiques de la neige locaux pour aider à collecter des données sur le terrain. « Ces équipes ont pleinement contribué au succès de cette campagne, ", a déclaré Vuyovich. "C'était la seule façon dont nous avons pu continuer SnowEx cet hiver."
Après un hiver réussi sur le terrain, the SnowEx team is changing their focus from snowshoes and spectrometers to laptops and high performance computers. In mid-July, 90 members of the community will participate in a week-long hackathon, which will provide tutorials for working with SnowEx data and group projects to build software for analysis of the large datasets. Next winter, the SnowEx team plans to conduct experiments in the Alaskan tundra and boreal forest. Full data analysis involving broader community participation will continue into the future.
