Los copos de nieve que cubren montañas o permanecen bajo las copas de los árboles son un recurso vital de agua dulce para más de mil millones de personas en todo el mundo. Para ayudar a determinar cuánta agua dulce está almacenada en la nieve, un equipo de investigadores financiado por la NASA está creando una herramienta computarizada que simula la mejor manera de detectar la nieve y medir su contenido de agua desde el espacio.
El contenido de agua de la nieve, o equivalente de agua de nieve (SWE) es un «santo grial para muchos hidrólogos», dijo Bart Forman, investigador principal del proyecto y profesor de la Universidad de Maryland, College Park. Cuando la nieve se derrite, el charco de agua resultante es su SWE.
En los estados del oeste de Estados Unidos, la nieve es la principal fuente de agua potable y el agua de la nieve es uno de los principales contribuyentes a la generación de energía hidroeléctrica y a la agricultura.
Algunos cambios en los patrones de nevadas son indicadores del cambio climático. Por ejemplo, las temperaturas más cálidas hacen que el agua caiga como lluvia en lugar de nieve. Como resultado, algunas montañas no son capaces de retener el agua en forma de manto de nieve como antes, lo que significa que las lluvias inundan los ríos y las inundaciones son más intensas. Cuando termina la temporada de inundaciones, las sequías pueden ser más graves.
El nuevo enfoque de Forman sigue los esfuerzos de la NASA para estudiar el SWE desde satélites, aviones y el campo. El espectrorradiómetro de imágenes de resolución moderada (MODIS) es un instrumento a bordo de dos satélites que captura imágenes diarias de la Tierra. MODIS puede identificar terrenos cubiertos de nieve y hielo en lagos y grandes ríos. La misión Global Precipitation Measurement (GPM), una constelación internacional de satélites, puede observar la lluvia y la caída de nieve en todo el planeta cada dos o tres horas.
Además de las observaciones desde el espacio, la NASA lleva a cabo una campaña más cercana a casa llamada SnowEX. La campaña es un programa de cinco años que incluye observaciones aerotransportadas y luego trabajo de campo para revelar lo que los esfuerzos de los satélites no hacen. SnowEX permite a los investigadores examinar terrenos complejos que pueden ser difíciles de caracterizar desde el espacio. La campaña del próximo invierno colaborará con el Airborne Snow Observatory, que mide la profundidad de la nieve y sus características.
La importancia de la nieve y su agua
«Nos encantaría tener un mapa mundial de SWE», dijo Edward Kim, científico investigador del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland. Sin embargo, no hay una sola técnica que pueda medir el SWE globalmente porque las propiedades de la nieve varían dependiendo de dónde aterrice, dijo Kim. A menudo forma una capa más profunda en los bosques, donde está protegido del sol, pero mantiene un perfil menos profundo en la tundra y la pradera, donde está expuesto al viento y a temperaturas más altas.
La nieve cambia de forma a medida que cae a la superficie y luego continúa cambiando en su lugar de descanso. Su forma puede determinar qué sensor es capaz de observarlo, dijo Kim, añadiendo otra complejidad al SWE estimado.
La nueva herramienta de Forman y su equipo determinará la combinación más efectiva de sensores basados en satélites para producir la mayor cantidad de datos. «La herramienta nos mostrará cómo tomar decisiones inteligentes sobre cómo combinar sensores», dijo Kim.
Una historia de diferentes sensores
La herramienta evalúa tres tipos diferentes de sensores en órbita terrestre: radar, radiómetro y lidar.
El equipo analizó la información de radar y radiómetro de los sensores existentes, como el radiómetro de barrido avanzado de microondas 2 (AMSR2). El sensor fue lanzado como una asociación liderada por la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón (JAXA) para capturar las emisiones de microondas de la superficie y la atmósfera de la Tierra. Su objetivo es identificar la cubierta de nieve, las temperaturas de la superficie del mar, la humedad del suelo y otros factores críticos para comprender el clima de la Tierra.
Para las observaciones por radar, el equipo incluyó datos de los satélites Copernicus Sentinel 1A y 1B de la Agencia Espacial Europea (ESA), que vigilan las superficies terrestres y oceánicas.
Además de incluir sensores de radar y radiómetro, que actualmente monitorean la nieve desde el espacio, la simulación de la nueva herramienta incluye el lidar; el lidar ha volado a bordo de aviones para medir la nieve sobre áreas específicas. Por ejemplo, la campaña SnowEx y el Airborne Snow Observatory de la NASA utilizan el lidar para determinar la profundidad de la nieve y el SWE. «Podemos ayudar a explorar la pregunta, ¿qué tal si tuviéramos una misión satelital de observación centrada en la nieve en el espacio?» Forman dijo.
De supercomputadoras y satélites
«Para hacer todo esto, hay que usar supercomputadoras», dijo Forman. Específicamente, el clúster Discover Supercomputer en Goddard y Deepthought2 High-Performance Computing en la Universidad de Maryland.
Una vez que los datos de los diferentes sensores están en la herramienta de simulación, el equipo es capaz de realizar experimentos que incluyen diferentes escenarios, tales como poner un satélite en una órbita versus otra, o tener una visión satelital de una franja amplia versus una franja estrecha de la Tierra. Con este conjunto de experimentos, pueden comparar qué tan bien se desempeña una determinada combinación en comparación con un escenario de referencia, dijo Forman.
Como regla general, con más satélites en órbita, los científicos tendrían datos de mayor calidad, dijo Forman. Sin embargo, «Podemos preguntarnos, ¿cuál es la ganancia marginal si tuviéramos un radiómetro más?» Forman dijo.
La nueva herramienta de simulación de sensores de nieve ayudará a crear una estrategia de observación de la nieve desde el espacio para comprender mejor este recurso vital de agua dulce. El simulador se usará para «continuar haciendo preguntas sobre lo que debería ser el próximo y cómo deberíamos estar planeando en 20 años o más», dijo Forman.