Watermissie om rivieren in Alaska te peilen in de frontlinies van klimaatverandering

[univers]

USGS-hydroloog Heather Best voert een waadstroommeting uit bij een meetstation in Alaska. De omvang van de staat, het ruige terrein en de beperkte transportinfrastructuur maken traditionele stroommetingen onbetaalbaar.
Credits: Derek Frohbieter, North Carolina Association of Floodplain Managers

De komende Surface Water and Ocean Topography-missie zal een schat aan gegevens opleveren over de watervoorraden op aarde, zelfs op afgelegen locaties. Alaska dient als casestudy.

Terwijl Alaska zich uitstrekt over de poolcirkel en wordt bedekt door uitgestrekte bevroren gebieden, heeft de staat ook veel vloeibaar water. In feite bezit Alaska ongeveer 40% van de oppervlaktewaterbronnen van de VS. Dit omvat meer dan 12.000 rivieren, duizenden beken en kreken en honderdduizenden meren.

Dus wanneer de Surface Water and Ocean Topography ( SWOT )-satelliet deze maand wordt gelanceerd vanaf de Vandenberg Space Force Base in Californië, is het niet meer dan normaal dat Alaska een van de eerste begunstigden zal zijn van deze missie onder leiding van NASA en het Franse ruimtevaartagentschap Centre National d'Études Spatiales. (CNES), met bijdragen van de Canadian Space Agency en de UK Space Agency.


Aan een zijrivier van de Atigun-rivier is dit een van de slechts 113 USGS-stroommeters in Alaska. De omvang, het terrein en de beperkte transportinfrastructuur van de staat maken traditionele stroommetingen onbetaalbaar. SWOT zal hiaten opvullen in afgelegen plaatsen zoals Alaska, waar gegevens over oppervlaktewater schaars of niet bestaan.
Credits: Jason Baker, USGS

SWOT meet de hoogte van bijna al het water op het aardoppervlak, van grote rivieren tot meren en reservoirs tot de oceaan. Het zal hiaten opvullen in afgelegen plaatsen zoals Alaska en in veel landen waar gegevens over oppervlaktewater schaars of niet bestaan. Deze metingen zullen waardevol zijn voor instanties voor waterbeheer en rampenparaatheid, universiteiten, civiel ingenieurs en anderen die het water in hun lokale gebieden moeten volgen.

De enorme omvang, het ruige terrein en de beperkte transportinfrastructuur van Alaska maken traditionele stroommetingen onbetaalbaar. Terwijl stroomstromen in het grootste deel van de Verenigde Staten continu worden gecontroleerd door een netwerk van de US Geological Survey (USGS) van meer dan 8.500 stations, zijn er momenteel slechts 113 meters in Alaska en worden veel grote rivieren niet gecontroleerd. De hoeveelheid water die door dergelijke rivieren stroomt, heeft invloed op alles, van de gezondheid en biodiversiteit van vissoorten tot transport en beschikbaarheid van drinkwater.

[youtube-2][/youtube-2]
De SWOT-missie (Surface Water and Ocean Topography) zal gemeenschappen helpen zich voor te bereiden op de gevolgen van een veranderend klimaat door gegevens te verzamelen die de meren, rivieren, reservoirs en de oceaan van de planeet monitoren.
Credits: NASA/JPL-Caltech/CNES/Thales Alenia Space

Dit gebrek aan informatie over de rivieren in Alaska maakte van USGS een logische keuze om als early adopter van SWOT te dienen . SWOT-gegevens zullen een aanvulling vormen op een systeem dat momenteel in ontwikkeling is om die rivieren te monitoren, waarbij gebruik wordt gemaakt van radarhoogtemetinggegevens van de VS-Europese Jason-2 en -3 en de Sentinel-satellieten van het European Space Agency (ontwikkeld in de context van het Europese Copernicus-programma onder leiding van de Europese Commissie ), en zichtbare beelden van de NASA-USGS Landsatsatellieten. Het project, in zijn derde jaar, omvat het gebruik van instrumenten in de ruimte om de hoogte en stroming van rivieren te meten. USGS-partners zijn onder meer het Alaska Department of Transportation and Public Facilities, het Alaska-Pacific River Forecast Center van de National Weather Service, de US Fish and Wildlife Service en het Alaska Department of Fish and Game.

"Alaska is een plaats die vooral zou kunnen profiteren van observatie op afstand voor stroomschattingen", zegt USGS-hydroloog Robert Dudley. Dudley zei dat Alaska een geweldige testcase is voor wetenschappers en waterbeheerders om met nieuwe op de ruimte gebaseerde tools zoals SWOT te werken en ze onmiddellijk in gebruik te nemen.

USGS stelt een historisch overzicht samen van geschatte stroomafvoeren, voortbouwend op meer dan twee decennia NASA-onderzoek om het wateroppervlak in meren en rivieren te meten. De gegevens zullen wetenschappers en waterbeheerders in staat stellen te begrijpen hoe vaak stromen laag- en hoogwatercondities ervaren en om een ​​referentiepunt te ontwikkelen om de huidige omstandigheden te evalueren.


Gegevens van SWOT zullen een aanvulling vormen op een USGS-systeem dat momenteel in ontwikkeling is om instrumenten in de ruimte te gebruiken - zoals Landsat, die dit beeld van de Yukon-rivier in de buurt van Stevens Village, Alaska vastlegde - om de hoogte en stroming van rivieren in Alaska te meten, waarvan de meeste zijn momenteel onbewaakt.
Credits: USGS

Het SWOT-voordeel

Dudley zegt dat SWOT tal van voordelen heeft ten opzichte van de huidige op satellieten gebaseerde riviermeettechnieken. Hoogtemeters zoals die op de Jason-serie satellieten kunnen meten hoe het waterpeil in sommige grote rivieren varieert, en Landsat kan meten hoe rivierbreedtes variëren. Maar geen van beide gegevensbronnen biedt op zichzelf alle informatie die nodig is om een ​​redelijke schatting te maken van hoeveel water er door een rivier stroomt zonder een moeilijke en kostbare kalibratie op de grond uit te voeren. SWOT brengt daar verandering in door tegelijkertijd zowel waterstanden als breedte te meten.

Als een rivier bijvoorbeeld steile oevers heeft, hoeft deze niet noodzakelijkerwijs breder of smaller te lijken naarmate de afvoersnelheid verandert. Omgekeerd kan zelfs een kleine verandering in waterhoogte in een rivier met ondiepe oevers betekenen dat er veel meer water doorheen stroomt.

SWOT zal ook de helling van een rivier meten, waardoor wetenschappers kunnen inschatten hoe snel het water van het landschap afstroomt. Over het algemeen geldt: hoe steiler de helling, hoe sneller het water.


Deze illustratie toont de Surface Water and Ocean Topography (SWOT)-satelliet in een baan om de aarde met zijn zonnepanelen en KaRIn-instrumentantennes opgesteld.
Credits: CNES

En SWOT zal de gegevens verzamelen die nodig zijn om stroomstromen in één keer te schatten, elke keer dat het over een rivier vliegt, wat in Alaska ongeveer eens in de vijf dagen zal zijn. De SWOT-radar kan ook door wolken heen kijken, waardoor hiaten in de gegevens worden geëlimineerd die worden veroorzaakt door wolken in Landsat en andere beelden in zichtbaar licht.

Klimaatverandering veroorzaakt tal van hydrologische veranderingen in Alaska die SWOT zal helpen bestuderen, zei Jack Eggleston, hoofd van de USGS Hydrologic Remote Sensing Branch. "Snel stijgende temperaturen zorgen ervoor dat de beekstromen toenemen op de North Slope, waar de permafrost aan het smelten is," zei hij. "Dit verandert ook de seizoensgebondenheid van stroomstromen, met hoge stromen veroorzaakt door smeltende sneeuw eerder in het jaar."

"SWOT zal ons in staat stellen om te zien wat er hydrologisch aan de hand is in Alaska op manieren die we nog niet eerder hebben gedaan", zegt Tamlin Pavelsky, NASA's SWOT zoetwaterwetenschapsleider, gevestigd aan de Universiteit van North Carolina, Chapel Hill. “Dat is belangrijk, want Alaska, dat in het noordpoolgebied ligt, is ook de plaats in de Verenigde Staten die op dit moment de meeste klimaatverandering doormaakt. Als je wilt weten waarom dat ertoe doet, bedenk dan eens hoeveel middelen we uit Alaska krijgen.”

https://www.nasa.gov/feature/jpl/water- ... ate-change

[univers]

De nieuwste internationale watersatelliet pakt uit met een technische stoot


Deze illustratie toont de Surface Water and Ocean Topography (SWOT)-satelliet in een baan om de aarde met zonlicht dat weerkaatst op een reeks zonnepanelen, evenals beide KaRIn-instrumentantennes die zijn ingezet. Credits: CNES

Maak kennis met het wetenschappelijke hart van de Surface Water and Ocean Topography-missie, die het water van de aarde in een hogere definitie dan ooit tevoren zal zien.

De Surface Water and Ocean Topography ( SWOT )-satelliet , die gepland staat voor een lancering op donderdag 15 december, belooft een buitengewoon beeld te geven van water over een groot deel van het aardoppervlak. De metingen van zoet water en de oceaan zullen onderzoekers helpen enkele van de meest prangende klimaatvragen van onze tijd aan te pakken en gemeenschappen te helpen zich voor te bereiden op een opwarmende wereld. Dit wordt mogelijk gemaakt door een wetenschappelijk instrument genaamd de Ka-band Radar Interferometer (KaRIn).

Jaren in ontwikkeling, het instrument is ontworpen om zeer nauwkeurige metingen van de hoogte van het water in de zoetwaterlichamen van de aarde en de oceaan vast te leggen. KaRIn zal de hoogte van het water in de oceaan meten en kenmerken zoals stromingen en draaikolken "zien" die minder dan 20 kilometer breed zijn - tot 10 keer kleiner dan die welke kunnen worden gedetecteerd met andere satellieten op zeeniveau. Het zal ook gegevens verzamelen over meren en reservoirs groter dan 15 acres (62.500 vierkante meter) en rivieren breder dan 330 voet (100 meter) breed.


Leden van de internationale SWOT-missie (Surface Water and Ocean Topography) testen een van de antennes voor het Ka-band Radar Interferometer (KaRIn)-instrument in een cleanroom van NASA's Jet Propulsion Laboratory in Zuid-Californië.
Credits: NASA/JPL-Caltech
"Voor zoetwater zal dit een enorme sprong voorwaarts zijn in termen van onze kennis", zegt Daniel Esteban-Fernandez, KaRIn-instrumentmanager bij NASA's Jet Propulsion Laboratory in Zuid-Californië. Onderzoekers hebben momenteel bijvoorbeeld goede gegevens over slechts een paar duizend meren over de hele wereld; SWOT zal dat aantal verhogen tot minstens een miljoen.

Het geavanceerde KaRIn-instrument vormt de kern van deze internationale missie, de nieuwste in een langdurige samenwerking tussen NASA en het Franse ruimtevaartagentschap Centre National d'Études Spatiales (CNES), met bijdragen van de Canadian Space Agency (CSA) en de Britse ruimtevaartorganisatie.

Een groter plaatje

Tot nu toe vertrouwden onderzoekers die een watermassa wilden bestuderen op instrumenten die op specifieke locaties meten - zoals meters in rivieren of de oceaan - of die in de ruimte zijn gestationeerd, waarbij ze gegevens verzamelen langs smalle "sporen" van de aarde die ze vanuit een baan om de aarde kunnen zien. Onderzoekers moeten dan extrapoleren als ze een breder beeld willen van wat er in een waterlichaam gebeurt.

KaRin is anders. Het radarinstrument gebruikt de Ka-bandfrequentie aan het microgolfuiteinde van het elektromagnetische spectrum om door bewolking en het donker van de nacht te dringen. Als gevolg hiervan kan het metingen uitvoeren ongeacht het weer of het tijdstip van de dag. De instrumentconfiguratie bestaat uit één antenne aan elk uiteinde van een arm die 10 meter lang is. Door radarpulsen van het wateroppervlak af te kaatsen en het retoursignaal met beide antennes te ontvangen, zal KaRIn gegevens verzamelen langs een strook van 50 kilometer breed aan weerszijden van de satelliet. "Met KaRIn-gegevens kunnen we daadwerkelijk zien wat er gebeurt, in plaats van te vertrouwen op deze extrapolaties", zegt Tamlin Pavelsky, de zoetwaterwetenschapsleider van NASA voor SWOT, gevestigd aan de Universiteit van North Carolina, Chapel Hill.


Deze animatie toont de twee antennes voor SWOT's Ka-band Radar Interferometer (KaRIn) instrument dat zich ontvouwt in een baan om de aarde.
Credits: NASA/JPL-Caltech

De twee KaRIn-antennes zien dezelfde plek op aarde vanaf een hoogte van 890 kilometer. Omdat de antennes vanuit twee richtingen naar een bepaald punt op aarde kijken, komen de retoursignalen die naar de satelliet worden teruggekaatst bij elke antenne iets uit de pas of fase met elkaar. Met behulp van dit faseverschil, de afstand tussen de twee antennes en de radargolflengte kunnen onderzoekers de hoogte van het water berekenen waar KaRIn naar kijkt.

Baanbrekende technologie

Zo'n opmerkelijk instrument vroeg veel van het team dat het ontwikkelde. Om te beginnen was er behoefte aan stabiliteit. "Je hebt twee antennes die naar dezelfde plek op de grond kijken, maar als hun voetafdrukken elkaar niet overlappen, zie je niets", zei Esteban-Fernandez. Dat was een van de vele technische uitdagingen waarmee de missie te maken kreeg bij het creëren van KaRIn.

Ingenieurs moeten ook precies weten hoe SWOT in de ruimte is gepositioneerd om de nauwkeurigheid van de gegevens van KaRIn te garanderen. Als onderzoekers bijvoorbeeld niet weten dat het ruimtevaartuig gekanteld is, kunnen ze daar geen rekening mee houden in hun berekeningen. "Stel je voor dat de giek rolt omdat het ruimtevaartuig beweegt, dus de ene antenne is iets hoger dan de andere", zei Esteban-Fernandez. "Dat zal de resultaten scheeftrekken - het lijkt alsof al je water op een helling staat." Daarom hebben ingenieurs een krachtige gyroscoop op de satelliet geplaatst om rekening te houden met verschuivingen in de SWOT-positie.

Ingenieurs die KaRIn ontwierpen, hadden ook te maken met de hoeveelheid uitgezonden radarvermogen. "Om dingen tot op de centimeter nauwkeurig te meten, moet je radarpulsen van 1,5 kilowatt uitzenden, wat een enorme hoeveelheid vermogen is voor een satelliet als deze", zegt Esteban-Fernandez. "Om dat te genereren, moet je tienduizenden volt op de satelliet laten werken." De ingenieurs moesten ontwerpen en materialen gebruiken die specifiek zijn voor hoogspanningssystemen bij het vervaardigen van de elektronica om de satelliet te helpen voorzien in dergelijke behoeften aan hoog vermogen en hoge spanning.

Het team heeft jaren besteed aan het overwinnen van deze en een groot aantal andere uitdagingen om het KaRIn-instrument te leveren. Zeer binnenkort zal de interferometer voor het eerst op de SWOT-satelliet vliegen en beginnen met het terugsturen van terabytes aan gegevens. "KaRIn zal iets op tafel zetten dat voorheen gewoon niet bestond", zei Esteban-Fernandez.

https://www.nasa.gov/feature/jpl/latest ... ring-punch