Спутники открывают новый взгляд на земную воду из космоса. В 1889 году недалеко от отдаленного пограничного города Эмбудо, штат Нью-Мексико, Джон Уэсли Пауэлл, знаменитый исследователь Гранд-Каньона и второй глава Геологической службы США, начал тихую научную революцию.

Дельта реки Замбези, захваченная Landsat 8 в марте 2018 года. Фото: НАСА

Он знал, что вода будет становиться все более важной для американского Запада, но никто не разработал способ выяснить, сколько было доступно. Пауэлл организовал полевой лагерь с 14 студентами, тремя инструкторами, двумя рабочими и поваром и поручил им разработать первый датчик для измерения количества воды, протекающей через реку США.

Благодаря их успеху стало возможным узнать, сколько воды можно взять из Рио-Гранде для орошения, чтобы оно не стало нецелесообразным или, что еще хуже, полностью высохло.

Более века спустя USGS эксплуатирует более 10 000 датчиков потока по всей стране. Они удивительно похожи на тот первый датчик Embudo. Другие страны работают еще тысячи.

Сегодня такие гидрологи, как я, используют сеть датчиков потока, а также такие же обширные сети датчиков, которые измеряют количество осадков, влажность почвы, глубину снега и другие части круговорота воды. Эти инструменты помогают показать, сколько воды доступно людям и экосистемам и как эта вода перемещается с места на место.

Перемещение в космос

За последние 30 лет гидрология столкнулась с трудной проблемой. Для вопросов, на которые гидрологи хотят ответить, просто недостаточно датчиков.

Член команды, работающий над проектом датчика потока Embudo в 1889 году

Член команды, работающий над проектом датчика потока Embudo в 1889 году. Фото: USGS

Попробуйте, например, измерить, сколько снега хранится в горном массиве, таком как калифорнийская Сьерра-Невада. Эта вода является важнейшим ресурсом для государства. Сьерра-Невада содержит около 130 «снежных подушек», которые измеряют количество воды, хранящейся в снегу непосредственно над ними. Но площадь, измеряемая датчиками, составляет примерно две миллионных процента от общей площади Сьерры.

Если вы попытаетесь выяснить общее количество воды, хранящейся в Сьеррах, вы столкнетесь с методологической стеной. Нет хорошего способа добраться туда напрямую.

Такая проблема возникает по всей гидрологии, от снега до влажности почвы и рек до водохранилищ. Хотя установка дополнительных датчиков является опцией, они дорогостоящие в обслуживании, и невозможно произвести достаточно, чтобы измерить весь горный массив. Лучшим вариантом будет измерять большие площади одновременно.

Начиная примерно два десятилетия назад, небольшая группа ученых предложила новое решение: что если они смогут измерить круговорот воды из космоса?

Джей Фамиглиетти из Саскачеванского университета был одним из таких ученых. Большая часть работы Famiglietti использовала миссию Gravity Recovery и Climate Experiment (GRACE), пару спутников, запущенную в 2002 году. Спутники, по прозвищу Том и Джерри, преследуют друг друга вокруг планеты и используют крошечные изменения в расстоянии между ними, чтобы измерить изменения в гравитации Земли. Многие из этих изменений происходят из-за движения воды. GRACE отслеживает изменения общего запаса воды в грунтовых водах, на поверхности и в атмосфере.

Снежная подушка

Снежная подушка. Фото: Служба охраны природных ресурсов Министерства сельского хозяйства США

«[GRACE] рисует убедительную картину, потому что она позволяет нам видеть отпечатки пальцев человека на наличие воды и влияние изменения климата на доступность воды», – сказал мне Фамильетти. Некоторые из его работ с GRACE показали глубокие потери подземных вод в северной Индии, на Ближнем Востоке и в других местах, которые могут быть уязвимы для будущего дефицита воды. Оригинальная пара спутников GRACE вышла в офлайн в 2017 году, но новая пара была запущена в следующем году.

Золотой век

Другие спутники, предназначенные для измерения определенных частей круговорота воды, были подключены к сети примерно в то же время, что и GRACE, хотя у них были некоторые ограничения.

IceSAT, работавший с 2003 по 2009 год, измерял изменение формы ледников и ледяных щитов, но у его лазеров были некоторые технические проблемы, которые ограничивали его срок службы. Миссия по измерению тропических осадков предоставила данные об осадках в низких широтах, но она плохо работала для снега и регионов с сильными грозами. Ученые придумали улучшенные способы использования данных от пассивных микроволновых датчиков, некоторые из которых уже находились на орбите, для оценки влажности почвы, но они предоставляли данные только в относительно грубых масштабах.

Начиная с 2014 года, новое поколение спутников предложило улучшения. Глобальная миссия осадков, созвездие спутников, значительно улучшила TRMM.IceSAT-2, который НАСА запустило в 2018 году, имеет гораздо лучшие лазеры, чем его предшественник. Специальные миссии по увлажнению почвы, начатые Европейским космическим агентством и НАСА, предлагают более точно настроенные измерения, чем предыдущие датчики.

Исполнение исполнителем последующей миссии GRACE

Исполнение исполнителем последующей миссии GRACE. Фото: НАСА

Я являюсь частью международной команды, которая запустит первый проект, посвященный измерению наиболее доступных водных ресурсов Земли: рек и озер. Миссия "Топография поверхностных вод и океана" (SWOT) – это активный датчик, который, начиная с 2021 года, будет отправлять радиолокационные импульсы на Землю и измерять время, необходимое для возвращения на спутник. С помощью тонко настроенных алгоритмов SWOT будет измерять изменения количества воды, хранящейся в миллионах озер и водохранилищ по всему миру, и оценивать из космоса количество воды, протекающей через большинство крупных рек мира.

Со всеми этими спутниками гидрологи смогут отслеживать многие отдельные части круговорота воды, используя наблюдения из космоса. Следующая задача будет заключаться в согласовании всех этих измерений. Каждый спутник имеет свои особенности. Ученые работают над интеграцией всех своих прошлых и настоящих данных с компьютерным моделированием круговорота воды на Земле.

Вместе эти наблюдения могут помочь лучше прогнозировать засуху, отслеживать наводнения и информировать мир о том, как изменение климата влияет на доступ к водным ресурсам. Например, набор спутников показал, что не имеющие выхода к морю бассейны мира, уже являющиеся одними из самых сухих мест на Земле, особенно Аральское море в Центральной Азии, быстро теряют воду.

Эта анимация НАСА показывает, как SWOT будет собирать данные об океане и пресноводных районах

Эта анимация НАСА показывает, как SWOT будет собирать данные об океане и пресноводных районах. Фото: НАСА

Космические агентства также разрабатывают новые миссии для охвата частей водного цикла, которые современные спутники еще не могут адекватно наблюдать, например снежный покров в Сьерра-Неваде. Оценка испарения также остается реальной проблемой. Современные методы создают совершенно разные глобальные модели, и путь к новым решениям для надежной оценки испарения из космоса остается неопределенным.

Сателлиты прошли путь от курьезов на стороне гидрологии до центральных игроков в понимании глобального круговорота воды. Когда Джон Уэсли Пауэлл отправил 20 с лишним членов нового правительства США на берега Рио-Гранде, он, вероятно, не мог себе представить, что 130 лет спустя такие ученые, как я, пойдут по его стопам, используя спутники, вращающиеся вокруг сотен миль. накладные расходы.

По материалам phys.org