Warum die neue NASA-Mission das Wasser der Erde aus dem Weltraum untersuchen wird

Bevor die Sonne am Donnerstag aufgeht, wird eine Rakete mit dem Oberflächenwasser- und Meerestopographie-Satelliten von der Vandenberg Space Force Base nördlich von Santa Barbara abheben.

Wenn SWOT sein Ziel 553 Meilen über der Erdoberfläche erreicht, wird eine neue Ära in der Erforschung des Klimawandels beginnen.

Der Satellit wird der erste sein, der fast das gesamte Oberflächenwasser der Welt vermessen wird, sodass Forscher das Volumen und die Bewegung aller Ozeane, Flüsse, Seen und Ströme auf dem Planeten kontinuierlich verfolgen können.

Diese gemeinsame Mission der NASA und des französischen Nationalen Zentrums für Weltraumstudien wird von einer einzigartigen Allianz von Erdwissenschaftlern unterstützt, die darauf bedacht sind, wichtige Fragen zu beantworten Überschwemmungen, Klimamuster und unsere zukünftige Wasserversorgung.

Der Satellit wird in der Lage sein, durch Gewitterwolken zu sehen und die Höhe von Hochwasser genau zu messen, wenn terrestrische Messgeräte eingetaucht sind. Wenn ein Land sich weigert, Informationen über seinen Wasserverbrauch entlang eines Flusses zu teilen, kann das Raumschiff sie stattdessen bereitstellen.

SWOT wurde entwickelt, um den Planeten mit beispielloser Präzision und Häufigkeit zu beobachten und Unmengen von Daten zurückzugeben, um Wissenschaftlern und Wissenschaftlern zu helfen politische Entscheidungsträger planen Überschwemmungen, Dürren und den Anstieg des Meeresspiegels ein.

Wissenschaftler sagen, dass die 1,2-Milliarden-Dollar-Mission das Potenzial hat, unser Verständnis des Wassers auf der Erde so erheblich zu verändern, wie das Mikroskop unsere Sicht auf den menschlichen Körper verändert hat.

„Die Möglichkeiten sind so endlos, dass ich mir fast nicht sicher bin, wo ich anfangen soll“, sagte Tamlin Pavelsky, ein globaler Hydrologe an der University of North Carolina in Chapel Hill und wissenschaftlicher Leiter der Hydrologie der Mission. “Es ist, als würde man mit einem Baseballschläger auf eine Piñata schlagen und all diese Süßigkeiten herausschütten, und man weiß einfach nicht einmal, was man zuerst nehmen soll.”

Frühere Satelliten haben entweder Ozeane oder Süßwasser überwacht. SWOT wird die ersten sein, die beides beobachten. Die Mission ist eine gemeinsame Anstrengung in Ozeanographie und Hydrologie – zwei verwandte wissenschaftliche Disziplinen, die oft voneinander getrennt sind.

„Der gesamte Wasserkreislauf ist wirklich wichtig, um zu verstehen, wie der Klimawandel die Oberflächenprozesse der Erde beeinflusst – und nicht nur den Transport von Wasser, sondern auch Wärme“, sagte Patrick Barnard, Forschungsdirektor bei Pacific Coastal and Marine Science des US Geological Survey Zentrum in Santa Cruz, das nicht mit der Mission verbunden ist.

Die von SWOT gesammelten Daten, sagte er, werden “unser Verständnis nicht nur des Klimawandels, sondern auch der Klimavariabilität und wie sich dies auf Dürren und Dinge wie Monsun auswirkt, erheblich verbessern”.

Das primäre Werkzeug des Satelliten ist das Ka-Band Radar Interferometer oder KaRIn. Der Satellit sendet Radiowellen aus, und KaRIn zeichnet auf, wie viel dieser Energie zum Satelliten zurückkehrt und wie lange es dauert, bis er ankommt. In Verbindung mit anderen Messungen teilen diese Rücksignale dem Satelliten mit, ob er Wasser wahrnimmt und wie hoch die Wasseroberfläche ist.

Sobald SWOT im Juni voll betriebsbereit ist, wird es mindestens alle 21 Tage alles zwischen dem Arktischen Ozean und der Antarktis vermessen. Die anfängliche Mission läuft über drei Jahre.

„Im Moment haben wir Satelliten, die uns sagen können, wo sich Wasser befindet, und wir haben Satelliten, die uns sagen können, wie hoch das Wasser ist, aber wir haben keine Satelliten, die beides gleichzeitig effektiv tun können. Und das ist die Art von Killerding, die KaRIn kann“, sagte Pavelsky. „Es verwandelt das Wasser der Welt von 2D in 3D.“

Auf der Süßwasserseite wird SWOT die erste umfassende Übersicht über das weltweite Netzwerk von Flüssen, Seen und Bächen liefern, die zu zahlreich – und oft zu abgelegen – sind, um sie konsequent vom Boden aus zu überwachen.

„Ich kann endlich eine Fernerkundungsmethode verwenden, um den Flussfluss zu schätzen, anstatt mich auf die ziemlich spärlich verteilten Flussmessstationen zu verlassen“, sagte Aakash Ahamed, Doktorand in Geophysik an der Stanford University.

Sarah Cooley, Hydrologin für Oberflächenwasser an der University of Oregon, überwacht Stauseen und natürliche Seen, um festzustellen, wie sich der Klimawandel und das menschliche Verhalten auf die Wasserspeicherung auswirken. Ihre Arbeit stützt sich auf den ICESat-2-Satellitenlaser-Höhenmesser der NASA, der zwei- bis viermal im Jahr Daten zu den 227.000 größten Seen und Stauseen der Erde liefert. Es handelt sich um die fortschrittlichste Satellitentechnologie für Oberflächengewässer, die derzeit verfügbar ist.

Das wird sich ändern. SWOT wird mindestens alle drei Wochen Daten zu bis zu 6 Millionen Gewässern zurückgeben. Der Satellit kann fast jeden Fluss erfassen, der mindestens 100 Fuß breit ist, und jeden See, der größer als 15 Morgen ist.

“Es ist ein riesiger, riesiger Unterschied”, sagte Cooley. „Es ist eigentlich ein bisschen verrückt, darüber nachzudenken, wie das überhaupt sein wird und wie wir mit diesen Daten arbeiten werden.“

SWOT wird auch einen großen Unterschied in der Art und Weise machen, wie Wissenschaftler Veränderungen im Ozean überwachen.

Seit 1992 werden Meeresspiegeldaten größtenteils von TOPEX/Poseidon und anderen Satelliten-Höhenmessersystemen gemessen, zusammen mit einem Netzwerk von Gezeitenpegeln, die Wissenschaftler aus mehreren Ländern, Agenturen und Forschungseinrichtungen zusammengestellt haben. Diese Pegel liefern nur sporadische Momentaufnahmen einer bestimmten Küste, und wenn ein Sturm eintritt oder eine Flut ein Viertel überschwemmt, verlassen sich Wissenschaftler, die versuchen, den Gezeitenpegel zu messen, normalerweise auf den nächsten Pegel, der oft meilenweit entfernt ist.

Und die bereits im Orbit befindlichen Höhenmesser sind zwar bahnbrechend für mehr als eine Generation von Ozeanographen, haben aber einen blinden Fleck: Sie können nicht direkt an der Tidenlinie messen. Am nächsten kommen sie etwa 6 Meilen vor der Küste; An vielen Orten werden Messungen bis zu 18 Meilen von der Küste entfernt durchgeführt.

„Wir wissen eigentlich nicht genau, was passiert bei der Küste“, sagte Benjamin Hamlington, ein Forschungswissenschaftler am Jet Propulsion Laboratory der NASA in La Cañada Flintridge, der es ist Führung der Wissenschaft zum Anstieg des Meeresspiegels auf der Mission. „Hier kommt SWOT ins Spiel.“

Der neue Satellit wird auch subtilere Merkmale im offenen Ozean messen, die andere Satelliten nie klar erfassen konnten. Diese kleineren Strömungen und Zirkulationsmuster spielen eine wichtige, aber wenig verstandene Rolle dabei, wie der Ozean Wärme absorbiert – und wohin sie letztendlich fließt. (Es ist erwähnenswert, dass der Ozean mehr als ein Viertel des seit der industriellen Revolution von Menschen freigesetzten Kohlendioxids und etwa 90 % der daraus resultierenden Wärme absorbiert hat.)

Dieses Wissen ist entscheidend für unser Verständnis des Klimawandels, sagte Hamlington, der auch das Sea Level Change Team der NASA leitet. Es wird erwartet, dass Küstenüberschwemmungen in den kommenden Jahrzehnten mit größerer Häufigkeit und Intensität auftreten werden, und Daten von SWOT werden die Prognosen, auf die sich die Gemeinden verlassen, um sich auf diese Zukunft vorzubereiten, erheblich verbessern.

Barnard, der die USGS-Forschung zu Klimaauswirkungen und Küstengefahren entlang der Westküste und im gesamten Pazifischen Ozean beaufsichtigt, sagte, die Satellitentechnologie habe sein Gebiet vollständig revolutioniert.

Traditionell verbrachte ein Forscher mehrere Jahre mit der Untersuchung eines einzelnen Strandes, Sees oder Flusstals. Die wissenschaftliche Gemeinschaft würde diese Arbeit dann in das größere Puzzle des Erdsystems einfügen.

Allein in den letzten zehn Jahren rekrutierten Barnard und sein Team Wissenschaftler in Japan, Australien, Neuseeland und Kanada, um zu untersuchen, wie El Niño und sich ändernde Klimabedingungen zunehmend Küstengemeinden im pazifischen Becken bedrohen. Es dauerte 200.000 Stunden, um Daten von 48 Stränden auf drei Kontinenten zu sammeln und zu analysieren, was letztendlich nur 124 der 6.200 Meilen langen Sandküste entlang des pazifischen Randes ausmachte.

„Jetzt können wir aus dem Weltraum täglich viele dieser Informationen erhalten, wenn wir wirklich wollten, und von überall auf der Welt – was einfach umwerfend ist“, sagte Barnard.

SWOT wird Feldforschung nicht vollständig ersetzen. In den ersten Jahren der Mission müssen die Wissenschaftler die Ergebnisse durch umfangreiche Bodenmessungen validieren.

Die schiere Menge an Daten, die SWOT zurückgibt, stellt ganz eigene Herausforderungen dar. Die Speicherung und Handhabung dieser Menge an Informationen ist an sich schon ein großes Unterfangen.

Es ist auch ein berauschendes. Forscher sagen, dass Transformationstechnologie wie SWOT nicht nur neue Antworten auf bestehende Probleme bietet, sondern auch völlig neue Fragen aufwirft, sagte Cooley, der Oberflächenwasser-Hydrologe in Oregon.

„Das ist wirklich aufregend für eine Wissenschaftlerin“, sagte sie.