La NASA sta costruendo nuovi strumenti per gestire l'acqua man mano che crescono i pericoli del clima

Stuart Rankin

Dopo un inverno insolitamente secco, un temporale di fine stagione finalmente imbevuto California all'inizio di marzo, accumulando diversi piedi di neve sugli alti bacini granitici delle montagne della Sierra Nevada.

La domenica mattina dopo il sereno, una coppia di ricercatori della NASA si è imbarcata su un piccolo aereo al Mammoth Yosemite Airport, un'operazione a pista singola che si estende prima della cima della piramide del Monte Morrison.

Dopo gli ultimi controlli di sicurezza, i piloti sono decollati, segnando il volo inaugurale della stagione dell'Airborne Snow Observatory. L'ASO è un Beechcraft King Air 90 a doppio turboelica, dotato di una coppia di sensori che puntano attraverso un ritaglio di vetro sul fondo dell'aereo. Il lidar misura il volume del manto nevoso della montagna mentre uno spettrometro misura la sua riflettività, fornendo insieme una stima estremamente accurata di quanta acqua scorrerà dalla montagna in primavera e quando scorrerà attraverso il labirinto di dighe, bacini idrici e acquedotti della California.

I dati consentono alle autorità idriche di gestire con maggiore attenzione le centrali idroelettriche di ricarica dell'acqua, l'alimentazione di paesi e città e il nutrimento di una delle regioni agricole più produttive degli Stati Uniti. Fare bene quel lavoro è diventato sempre più critico poiché lo stato lotta alternativamente con siccità prolungate e inondazioni diffuse poiché il cambiamento climatico sembra esacerbare la volatilità stagionale.

Non puoi gestire ciò che non puoi misurare, afferma Thomas Painter, investigatore principale del programma ASO, gestito dal Jet Propulsion Lab della NASA a Pasadena.

Thomas Painter, investigatore principale del programma Airborne Snow Observatory della NASA, si trova davanti allo spartiacque di San Joaquin. tempio di Giacomo

Colpo di frusta climatico

La Sierra Nevada si estende per 400 miglia lungo il confine sud-est della California. Ogni anno, il suo manto nevoso in scioglimento fornisce fino a un terzo dell'acqua dello Stato.

Gestire quella risorsa è un compito difficile. Gli operatori dei bacini idrici devono far uscire abbastanza acqua per evitare inondazioni, sostenere pesci ed ecosistemi, ricaricare le acque sotterranee e rifornire città e industrie. Ma devono anche mantenere abbastanza risorse per soddisfare le esigenze di agricoltori, imprese e residenti durante i secchi mesi estivi.

Il programma ASO ha iniziato le sue indagini sulla neve nella primavera del 2013 quando una devastante siccità ha attanagliato la California. La storica siccità ha imposto restrizioni idriche obbligatorie, condannato più di cento milioni di alberi, esacerbato gli incendi e spremuto i profitti della massiccia industria agricola dello stato. Poi si è interrotto bruscamente nell'inverno 2016-2017 quando una serie di tempeste si è quasi scaricata 95 pollici di pioggia in alcune parti della Sierra, segnando il secondo anno più piovoso mai registrato in California.

Questo tipo di colpo di frusta climatico potrebbe diventare fino a due volte più comune nello stato, guidato dall'aumento delle temperature, dall'aumento del vapore acqueo atmosferico e da altri cambiamenti climatici, secondo un aprile carta in Cambiamento climatico della natura . Gli autori hanno scoperto che potrebbero verificarsi inondazioni una tantum di 200 anni ogni 40 anni entro la metà del secolo.

Le precipitazioni totali potrebbero non cambiare molto in media durante questi bruschi cambiamenti tra anni molto secchi e molto umidi, ma alla fine non si limitano a sbiadire, afferma Daniel Swain, autore principale dello studio e scienziato del clima presso l'Università della California, Los Angeles. Hai tutti gli aspetti negativi degli anni umidi e degli anni di siccità. Hai più rischi e meno benefici di quell'acqua.

In mezzo a tali turbolenze, la previsione che il programma ASO della NASA può fornire sulle mutevoli condizioni del manto nevoso sarà fondamentale per la gestione dell'acqua all'interno di un sistema progettato per il clima del passato, afferma Swain.

Negli anni piovosi, il programma aiuta gli operatori dei serbatoi a impedire che l'acqua superi i bacini e sommerga le comunità a valle. Negli anni siccitosi, i dati consentono loro di fare un uso più efficiente di forniture limitate. Per la Friant Water Authority, che gestisce una diga e canali che alimentano un milione di acri di terreno agricolo della Central Valley, ciò significa impiegare più acqua per coltivare frutta e verdura dello stato, afferma Jeff Payne, direttore della politica idrica dell'agenzia pubblica.

Laser rimbalzanti

Dopo aver scavalcato la ripida parete orientale della catena montuosa, l'aereo ha raggiunto un tratto d'alta quota del bacino di San Joaquin, che immagazzina l'acqua nella sua forma ghiacciata fino a quando le migliaia di fattorie del distretto di Friant ne hanno bisogno ogni primavera.

Dan Berisford, un tecnologo della NASA barbuto di 38 anni che indossava un berretto lavorato a maglia e occhiali da sole a specchio, sedeva sul sedile posteriore sinistro davanti al monitor lidar. Ha premuto un interruttore che ha avviato la raccolta dei dati dal sensore.

L'aereo ha tagliato un percorso del tosaerba sul terreno, coprendo lunghe linee prima di virare di 180 gradi. Il lidar emette raggi laser pulsati centinaia di migliaia di volte al secondo, spazzando lateralmente il paesaggio. Misurando il tempo necessario affinché la luce si rifletta sulla superficie e ritorni al sensore, il software del dispositivo è in grado di tracciare una mappa 3D della superficie della neve. Combinando queste informazioni con le osservazioni precedenti, gli scienziati sono in grado di calcolare l'equivalente acqua-neve, o il volume totale di acqua immagazzinato nello spartiacque in quel punto.

Il compito principale di Berisford sull'aereo è il controllo di qualità, alla ricerca di segnali rivelatori che la luce rimbalza sulle nuvole o sull'umidità dell'aria.

L'Airborne Snow Observatory della NASA, un Beechcraft King Air 90, al Mammoth Yosemite Airport. Giacomo Tempio

Lo spettrometro funziona contemporaneamente. È essenzialmente una fotocamera, ma in grado di rilevare la luce ben oltre la portata dell'occhio umano. Determina quanta parte della luce solare che colpisce la neve si riflette sulla superficie.

La neve fresca è altamente riflettente, che rallenta lo scioglimento e aiuta a restituire calore nell'atmosfera. Ma il manto nevoso diventa sempre meno riflettente man mano che i cristalli di ghiaccio si fondono e crescono, e l'inquinamento atmosferico e le tempeste ricoprono i campi di macchie scure assorbenti sotto forma di polvere e fuliggine.

La determinazione dello spostamento dei livelli in modo riflessivo aiuta il team a calcolare la velocità con cui la neve si scioglierà e quando alla fine raggiungerà i serbatoi a valle, afferma Berisford.

Più accurato

I californiani hanno cercato di misurare con precisione il manto nevoso della Sierra per più di un secolo. Ogni inverno, il Dipartimento delle risorse idriche della California invia topografi con sci di fondo e racchette da neve in centinaia di punti designati, dove immergono tubi di misurazione in alluminio in profondità nella neve. Questi dati sono integrati da più di cento stazioni di sensori remoti situate in tutta la gamma, in cui i cuscini di neve forniscono stime basate sul peso dello spostamento della neve sopra di loro.

Ma queste istantanee spesso non si sommano a un quadro accurato di questi spartiacque tentacolari di alta montagna. In alcuni anni, la quantità stimata di acqua che alla fine raggiunge bacini idrici come il sistema Hetch Hetchy, che serve quasi tre milioni di clienti intorno a San Francisco, può arrivare fino al 40%. Questo è un più o meno di decine di miliardi di litri d'acqua.

Ma dopo cinque anni di attività, attraverso anni molto umidi, molto secchi e nella media, il tasso di errore del programma della NASA è in media di circa il 2%, afferma Painter.

È il rilevamento più accurato mai effettuato sul manto nevoso, afferma.

Misurare dallo spazio

Finora, il programma ASO della NASA, che sta passando da una fase pilota a una fase operativa, ha coperto solo circa un terzo della Sierra. Ma la NASA, il Dipartimento delle risorse idriche della California e diversi distretti idrici stanno sostenendo l'espansione in tutta la California. Ciò richiederebbe ulteriori aerei, strutture e diversi milioni di finanziamenti annuali. I rappresentanti della Friant Water Authority e di altri distretti idrici hanno discusso con i legislatori per mettere da parte fondi per il programma.

Painter afferma che la NASA sta anche discutendo sulla creazione di sforzi simili nel bacino della Columbia che si estende attraverso l'Oregon, Washington e il Canada e il bacino del fiume Colorado, dove hanno anche condotto i primi voli di ricognizione.

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Gli obiettivi finali della NASA sono molto più elevati. Il Goddard Space Flight Center di Greenbelt, nel Maryland, ha condotto una serie di test sulle montagne e sugli altipiani innevati intorno a Grand Mesa, in Colorado. L'obiettivo del progetto di ricerca pluriennale, noto come SnowEx , è determinare quale combinazione di sensori e tecniche consentirà alla NASA di misurare l'equivalente acqua-neve dallo spazio.

Allo stato attuale, i satelliti attuali possono determinare solo l'estensione della neve nei continenti, non la quantità di acqua che contiene.

Lo sforzo potrebbe aiutare altre regioni del mondo alle prese con lo stesso tipo di sfide idriche e incertezze della California. Potrebbe anche fornire dati sulla mutevole riflettività del pianeta quando le temperature aumentano e si accumula meno neve, offrendo informazioni su un meccanismo di feedback cruciale del cambiamento climatico.

Abbiamo bisogno di una missione satellitare in grado di misurare la neve a livello globale, ha affermato Charles Gatebe, vice scienziato del progetto per SnowEx. Stiamo cercando gli strumenti.

Difficile adattarsi

Ma alla fine, informazioni migliori e maggiori possono fare solo così tanto.

Se i modelli delle precipitazioni cambiano tanto quanto previsto dallo studio di Swain, la situazione richiederà cambiamenti molto più grandi nelle infrastrutture e nelle pratiche idriche della California. E adattarsi a una nuova normalità è difficile quando quella nuova normalità è la volatilità.

In particolare, alcuni sostengono che siccità sempre più gravi richiederanno allo stato di costruire serbatoi aggiuntivi. Ma la stessa misura aggraverebbe i rischi di inondazione durante gli anni piovosi, poiché le forti piogge sovrastano i bacini.

Altri esperti di gestione delle acque della California ritengono che lo stato dovrà sviluppare un sistema molto più flessibile, appoggiandosi maggiormente alle pianure alluvionali naturali e alle falde acquifere piuttosto che ai bacini artificiali. Ciò richiederà infrastrutture completamente diverse, probabilmente inclusi argini, condutture e canali, per proteggere le comunità e trasportare l'acqua.

Questo potrebbe essere il modo più promettente per mitigare il rischio, afferma Swain. Ma onestamente, sarà una sfida difficile. Sarà difficile adattarsi.

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