Die NASA baut neue Werkzeuge zum Umgang mit Wasser, wenn die Klimagefahren zunehmen

Stuart Rankin

Nach einem ungewöhnlich trockenen Winter ein Sturm in der Spätsaison endlich durchnässt Kalifornien Anfang März und häufte mehrere Fuß Schnee über die hohen Granitreservoirs der Berge der Sierra Nevada.

Am Sonntagmorgen, nachdem sich das Wetter beruhigt hatte, bestiegen zwei NASA-Forscher ein kleines Flugzeug am Mammoth Yosemite Airport, einem Betrieb mit einer Landebahn, der sich vor der Pyramidenspitze des Mount Morrison erstreckt.

Nach letzten Sicherheitschecks hoben die Piloten ab und markierten damit den Eröffnungsflug des Airborne Snow Observatory in dieser Saison. Die ASO ist eine Twin-Turboprop Beechcraft King Air 90, die mit zwei Sensoren ausgestattet ist, die durch einen Glasausschnitt am Boden des Flugzeugs zeigen. Das Lidar misst das Volumen der Bergschneedecke, während ein Spektrometer ihr Reflexionsvermögen misst, was zusammen eine hochgenaue Schätzung darüber liefert, wie viel Wasser im Frühjahr vom Berg abfließen und wann es durch Kaliforniens Labyrinth aus Dämmen, Stauseen und Aquädukten fließen wird.

Die Daten ermöglichen es den Wasserbehörden, die wasserführenden Wasserkraftwerke sorgfältiger zu verwalten, Städte und Gemeinden zu versorgen und eine der produktivsten landwirtschaftlichen Regionen der Vereinigten Staaten zu ernähren. Diese Arbeit gut zu machen, wird immer wichtiger, da der Staat abwechselnd mit anhaltenden Dürren und Dürren zu kämpfen hat großflächigen Überschwemmungen da der Klimawandel die saisonale Volatilität zu verschärfen scheint.

Man kann nicht verwalten, was man nicht messen kann, sagt Thomas Painter, Hauptforscher des ASO-Programms, das vom Jet Propulsion Lab der NASA in Pasadena geleitet wird.

Thomas Painter, leitender Ermittler des Airborne Snow Observatory-Programms der NASA, steht vor der Wasserscheide von San Joaquin. Jakobus-Tempel

Klima Schleudertrauma

Die Sierra Nevada erstreckt sich 400 Meilen entlang der südöstlichen Grenze von Kalifornien. Jedes Jahr liefert seine schmelzende Schneedecke bis zu ein Drittel des Landeswassers.

Die Verwaltung dieser Ressource ist eine knifflige Aufgabe. Stauseebetreiber müssen genug Wasser ablassen, um Überschwemmungen zu vermeiden, Fische und Ökosysteme zu erhalten, Grundwasser zu erneuern und Städte und Industrien zu versorgen. Aber sie müssen auch genug vorhalten, um die Bedürfnisse von Landwirten, Unternehmen und Einwohnern in den trockenen Sommermonaten zu decken.

Das ASO-Programm begann mit seinen Schneeuntersuchungen im Frühjahr 2013, als Kalifornien von einer verheerenden Dürre heimgesucht wurde. Die historische Trockenperiode erzwang obligatorische Wasserbeschränkungen, zerstörte mehr als hundert Millionen Bäume, verschärfte Waldbrände und schmälerte die Gewinne der massiven Landwirtschaftsindustrie des Staates. Dann kam es im Winter 2016–2017 zu einem abrupten Stillstand, als eine Reihe von Stürmen fast abstürzte 95 Zoll Regen in einigen Teilen der Sierra, was Kaliforniens zweitfeuchtestes Jahr seit Beginn der Aufzeichnungen markiert.

Diese Art von klimatischem Schleudertrauma könnte laut einem April im Bundesstaat bis zu doppelt so häufig auftreten, angetrieben von steigenden Temperaturen, zunehmendem atmosphärischem Wasserdampf und anderen klimatischen Veränderungen Papier in Natur Klimawandel . Einmalige 200-jährliche Überschwemmungen könnten bis Mitte des Jahrhunderts alle 40 Jahre auftreten, stellten die Autoren fest.

Der Gesamtniederschlag ändert sich im Durchschnitt über diese scharfen Wechsel zwischen sehr trockenen und sehr nassen Jahren möglicherweise nicht sehr, aber er wird am Ende nicht einfach ausgewaschen, sagt Daniel Swain, Hauptautor der Studie und Klimawissenschaftler an der University of California. Los Angeles. Sie haben alle Nachteile von nassen Jahren und Dürrejahren. Sie haben mehr Risiken und weniger Vorteile dieses Wassers.

Inmitten solcher Turbulenzen wird die Weitsicht, die das NASA-ASO-Programm in Bezug auf sich verändernde Schneedeckenbedingungen bieten kann, entscheidend für das Wassermanagement in einem System sein, das für das Klima der Vergangenheit ausgelegt ist, sagt Swain.

In feuchten Jahren hilft das Programm den Betreibern von Stauseen, zu verhindern, dass Wasser die Becken überschwemmt und flussabwärts gelegene Gemeinden überschwemmt. In trockenen Jahren ermöglichen ihnen die Daten, begrenzte Vorräte effizienter zu nutzen. Für die Friant Water Authority, die einen Damm und Kanäle verwaltet, die eine Million Hektar Ackerland im Central Valley versorgen, bedeutet dies, dass mehr Wasser für den Anbau von Obst und Gemüse des Staates verwendet wird, sagt Jeff Payne, der Direktor für Wasserpolitik der öffentlichen Behörde.

Abprallende Laser

Nachdem das Flugzeug die steile Ostwand des Gebirges erklommen hatte, erreichte es einen hoch gelegenen Abschnitt des San Joaquin-Beckens, das Wasser in seiner gefrorenen Form speichert, bis Tausende von Farmen im Friant-Distrikt es jedes Frühjahr benötigen.

Dan Berisford, ein bärtiger 38-jähriger NASA-Techniker, der eine Strickmütze und eine verspiegelte Sonnenbrille trägt, saß auf dem linken Rücksitz vor dem Lidar-Monitor. Er legte einen Schalter um, der die Datenerfassung vom Sensor einleitete.

Das Flugzeug schnitt einen Rasenmäherpfad über das Gelände und bedeckte lange Linien, bevor es sich um 180 Grad neigte. Das Lidar sendet Hunderttausende Male pro Sekunde gepulste Laserstrahlen aus, die seitlich über die Landschaft streichen. Durch die Messung der Zeit, die das Licht benötigt, um von der Oberfläche reflektiert zu werden und zum Sensor zurückzukehren, ist die Software des Geräts in der Lage, eine 3D-Karte der Schneeoberfläche zu zeichnen. Indem sie diese Informationen mit früheren Beobachtungen kombinieren, sind die Wissenschaftler in der Lage, das Schnee-Wasser-Äquivalent oder das Gesamtwasservolumen zu berechnen, das an diesem Punkt in der Wasserscheide gespeichert ist.

Berisfords Hauptaufgabe im Flugzeug ist die Qualitätskontrolle und die Suche nach verräterischen Anzeichen dafür, dass das Licht von Wolken oder Luftfeuchtigkeit reflektiert wird.

Das Airborne Snow Observatory der NASA, eine Beechcraft King Air 90, am Mammoth Yosemite Airport. James Tempel

Gleichzeitig läuft das Spektrometer. Es ist im Wesentlichen eine Kamera, aber eine, die Licht weit über die Reichweite des menschlichen Auges hinaus erkennen kann. Sie bestimmt, wie viel Sonnenlicht, das auf den Schnee trifft, von der Oberfläche reflektiert wird.

Frischer Schnee ist stark reflektierend, was das Schmelzen verlangsamt und dazu beiträgt, Wärme in die Atmosphäre zurückzuleiten. Aber die Schneedecke wird immer weniger reflektierend, während die Eiskristalle verschmelzen und wachsen, und Luftverschmutzung und Stürme überziehen die Felder mit dunklen, absorbierenden Flecken in Form von Staub und Ruß.

Die Bestimmung der Spiegelungsniveaus hilft dem Team zu berechnen, wie schnell der Schnee schmilzt und wann er schließlich die flussabwärts gelegenen Stauseen erreicht, sagt Berisford.

Meistens richtig

Kalifornier versuchen seit mehr als einem Jahrhundert, die Schneedecke der Sierra genau zu vermessen. Jeden Winter schickt das kalifornische Ministerium für Wasserressourcen Landvermesser auf Langlaufskiern und Schneeschuhen zu Hunderten von ausgewiesenen Stellen, wo sie Messrohre aus Aluminium tief in den Schnee tauchen. Diese Daten werden durch mehr als einhundert entfernte Sensorstationen ergänzt, die sich im gesamten Verbreitungsgebiet befinden, wo Schneekissen Schätzungen basierend auf der Gewichtsverlagerung des Schnees über ihnen liefern.

Aber diese Schnappschüsse ergeben oft kein genaues Bild dieser weitläufigen Hochgebirgswassereinzugsgebiete. In manchen Jahren kann die geschätzte Wassermenge, die Stauseen wie das Hetch-Hetchy-System erreicht, das fast drei Millionen Kunden in San Francisco versorgt, um bis zu 40 Prozent zurückgehen. Das ist ein Plus oder Minus von zig Milliarden Gallonen Wasser.

Aber nach fünf Betriebsjahren, in sehr nassen, sehr trockenen und durchschnittlichen Jahren, liegt die Fehlerrate des NASA-Programms im Durchschnitt bei etwa 2 Prozent, sagt Painter.

Es ist die genaueste Untersuchung der Schneedecke, die jemals durchgeführt wurde, sagt er.

Messen aus dem Weltraum

Bisher hat das NASA-ASO-Programm, das von einer Pilot- in eine Betriebsphase übergeht, nur etwa ein Drittel der Sierra abgedeckt. Aber die NASA, das kalifornische Ministerium für Wasserressourcen und mehrere Wasserbezirke plädieren dafür, es auf ganz Kalifornien auszudehnen. Das würde zusätzliche Flugzeuge, Einrichtungen und mehrere Millionen an jährlichen Finanzmitteln erfordern. Vertreter der Friant Water Authority und anderer Wasserbezirke haben Gespräche mit Gesetzgebern geführt, um Geld für das Programm bereitzustellen.

Laut Painter befindet sich die NASA auch in Gesprächen über den Aufbau ähnlicher Bemühungen im Columbia-Becken, das sich durch Oregon, Washington und Kanada erstreckt, sowie im Colorado-River-Becken, wo sie auch frühe Vermessungsflüge durchgeführt haben.

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Die ultimativen Ziele der NASA sind viel erhabener. Das Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, hat eine Reihe von Tests auf den schneebedeckten Bergen und Hochebenen rund um Grand Mesa, Colorado, durchgeführt. Das Ziel des mehrjährigen Forschungsprojekts, bekannt als SchneeEx , soll bestimmen, welche Kombination von Sensoren und Techniken es der NASA ermöglichen, das Schnee-Wasser-Äquivalent aus dem Weltraum zu messen.

Aktuelle Satelliten können derzeit nur die Ausdehnung des Schnees auf den Kontinenten bestimmen, nicht die darin enthaltene Wassermenge.

Die Bemühungen könnten anderen Regionen auf der ganzen Welt helfen, die mit den gleichen Wasserherausforderungen und Unsicherheiten zu kämpfen haben wie Kalifornien. Es könnte auch Daten über das sich verändernde Reflexionsvermögen des Planeten liefern, wenn die Temperaturen steigen und sich weniger Schnee ansammelt, und Einblicke in einen entscheidenden Rückkopplungsmechanismus des Klimawandels geben.

Wir brauchen eine Satellitenmission, die den Schnee weltweit messen kann, sagte Charles Gatebe, der stellvertretende Projektwissenschaftler von SnowEx. Wir suchen die Werkzeuge.

Schwer anzupassen

Aber letztendlich können mehr und bessere Informationen nur so viel bewirken.

Wenn sich die Niederschlagsmuster so stark verschieben, wie Swains Studie vorhersagt, wird die Situation weitaus größere Änderungen in der kalifornischen Wasserinfrastruktur und -praxis erfordern. Und die Anpassung an eine neue Normalität ist schwierig, wenn diese neue Normalität Volatilität ist.

Insbesondere argumentieren einige, dass mehr und schlimmere Dürren den Staat dazu zwingen werden, zusätzliche Stauseen zu bauen. Dieselbe Maßnahme würde jedoch das Überschwemmungsrisiko in nassen Jahren verschärfen, da starke Regenfälle die Becken überfluten.

Andere kalifornische Wasserwirtschaftsexperten glauben, dass der Staat ein viel flexibleres System entwickeln muss, indem er sich stärker auf natürliche Überschwemmungsgebiete und Grundwasserleiter als auf von Menschenhand geschaffene Stauseen stützt. Das erfordert eine völlig andere Infrastruktur, wahrscheinlich einschließlich Deiche, Pipelines und Kanäle, um Gemeinden zu schützen und Wasser zu transportieren.

Das könnte der vielversprechendste Weg sein, um das Risiko zu mindern, sagt Swain. Aber ehrlich gesagt wird es eine harte Herausforderung. Es wird schwierig sein, sich anzupassen.

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