La NASA construit de nouveaux outils pour gérer l'eau alors que les dangers climatiques augmentent

Stuart Rankin

Après un hiver inhabituellement sec, une tempête d'arrière-saison enfin trempé Californie début mars, accumulant plusieurs pieds de neige sur les hauts réservoirs de granit des montagnes de la Sierra Nevada.

Le dimanche matin, après que le temps se soit dégagé, deux chercheurs de la NASA ont embarqué dans un petit avion à l'aéroport de Mammoth Yosemite, une opération à piste unique qui s'étend devant le sommet de la pyramide du mont Morrison.

Après les derniers contrôles de sécurité, les pilotes ont décollé, marquant le vol inaugural de la saison de l'Airborne Snow Observatory. L'ASO est un Beechcraft King Air 90 bi-turbopropulseur, équipé d'une paire de capteurs pointant à travers une découpe en verre au bas de l'avion. Le lidar mesure le volume du manteau neigeux de la montagne tandis qu'un spectromètre mesure sa réflectivité, fournissant ainsi une estimation très précise de la quantité d'eau qui s'écoulera de la montagne au printemps et du moment où elle traversera le dédale de barrages, de réservoirs et d'aqueducs de Californie.

Les données permettent aux autorités de l'eau de gérer plus soigneusement les centrales hydroélectriques qui chargent l'eau, alimentent les villes et les villages et alimentent l'une des régions agricoles les plus productives des États-Unis. Bien faire ce travail est devenu de plus en plus critique alors que l'État est alternativement aux prises avec des sécheresses prolongées et inondations car le changement climatique semble exacerber la volatilité saisonnière.

Vous ne pouvez pas gérer ce que vous ne pouvez pas mesurer, explique Thomas Painter, chercheur principal du programme ASO, géré par le Jet Propulsion Lab de la NASA à Pasadena.

Thomas Painter, chercheur principal du programme Airborne Snow Observatory de la NASA, se tient devant le bassin versant de San Joaquin. Temple de Jacques

Coup de fouet climatique

La Sierra Nevada s'étend sur 400 milles le long de la frontière sud-est de la Californie. Chaque année, la fonte de son manteau neigeux fournit jusqu'à un tiers de l'eau de l'État.

La gestion de cette ressource est une tâche délicate. Les exploitants de réservoirs doivent en laisser sortir suffisamment pour éviter les inondations, soutenir les poissons et les écosystèmes, recharger les eaux souterraines et approvisionner les villes et les industries. Mais ils doivent également en conserver suffisamment pour répondre aux besoins des agriculteurs, des entreprises et des résidents pendant les mois d'été secs.

Le programme ASO a commencé ses relevés d'enneigement au printemps 2013 alors qu'une sécheresse dévastatrice s'emparait de la Californie. La période de sécheresse historique a imposé des restrictions d'eau obligatoires, a condamné plus de cent millions d'arbres, a exacerbé les incendies de forêt et a réduit les bénéfices de l'énorme industrie agricole de l'État. Puis il s'est brusquement arrêté à l'hiver 2016-2017 alors qu'une série de tempêtes se sont déversées sur près de 95 pouces de pluie dans certaines parties de la Sierra, marquant la deuxième année la plus humide jamais enregistrée en Californie.

Ce type de coup de fouet climatique pourrait devenir jusqu'à deux fois plus courant dans l'État, entraîné par la hausse des températures, l'augmentation de la vapeur d'eau atmosphérique et d'autres changements climatiques, selon un rapport d'avril. papier dans Changement climatique naturel . Des inondations uniques de 200 ans pourraient se produire tous les 40 ans d'ici le milieu du siècle, ont découvert les auteurs.

Les précipitations totales pourraient ne pas changer beaucoup en moyenne au cours de ces changements brusques entre les années très sèches et très humides, mais elles ne se contentent pas de disparaître à la fin, déclare Daniel Swain, auteur principal de l'étude et climatologue à l'Université de Californie, Los Angeles. Vous avez tous les inconvénients des années humides et des années de sécheresse. Vous avez plus de risques, et moins d'avantages, de cette eau.

Au milieu de telles turbulences, la prévoyance que le programme ASO de la NASA peut fournir dans les conditions changeantes du manteau neigeux sera essentielle à la gestion de l'eau dans un système conçu pour le climat du passé, a déclaré Swain.

Au cours des années humides, le programme aide les exploitants de réservoirs à empêcher l'eau de déborder des bassins et d'inonder les communautés en aval. Les années sèches, les données leur permettent d'utiliser plus efficacement des ressources limitées. Pour la Friant Water Authority, qui gère un barrage et des canaux qui alimentent un million d'acres de terres agricoles de la vallée centrale, cela signifie mettre davantage d'eau au travail pour cultiver les fruits et légumes de l'État, explique Jeff Payne, directeur de la politique de l'eau de l'agence publique.

Lasers rebondissants

Après avoir franchi la face est escarpée de la chaîne, l'avion a atteint un tronçon à haute altitude du bassin de San Joaquin, qui stocke l'eau sous sa forme gelée jusqu'à ce que les milliers de fermes du district de Friant en aient besoin chaque printemps.

Dan Berisford, un technologue barbu de la NASA âgé de 38 ans portant un bonnet tricoté et des lunettes de soleil miroir, était assis sur le siège arrière gauche devant le moniteur lidar. Il a appuyé sur un interrupteur qui a lancé la collecte de données à partir du capteur.

L'avion a coupé un chemin de tondeuse à gazon sur le terrain, couvrant de longues lignes avant de s'incliner à 180 degrés. Le lidar émet des faisceaux laser pulsés des centaines de milliers de fois par seconde, balayant latéralement le paysage. En mesurant le temps nécessaire à la lumière pour se refléter sur la surface et revenir au capteur, le logiciel de l'appareil est capable de tracer une carte 3D de la surface de la neige. En combinant ces informations avec des observations antérieures, les scientifiques sont en mesure de calculer l'équivalent neige-eau, ou le volume total d'eau stocké dans le bassin versant à ce point.

Le travail principal de Berisford dans l'avion est le contrôle de la qualité, en surveillant les signes révélateurs que la lumière rebondit sur les nuages ​​ou l'humidité de l'air.

Airborne Snow Observatory de la NASA, un Beechcraft King Air 90, à l'aéroport de Mammoth Yosemite. James Temple

Le spectromètre fonctionne en même temps. C'est essentiellement un appareil photo, mais qui peut détecter la lumière bien au-delà de la portée de l'œil humain. Il détermine la quantité de lumière solaire frappant la neige qui se reflète sur la surface.

La neige fraîche est très réfléchissante, ce qui ralentit la fonte et aide à renvoyer la chaleur dans l'atmosphère. Mais le manteau neigeux devient progressivement moins réfléchissant à mesure que les cristaux de glace fusionnent et grossissent, et la pollution de l'air et les tempêtes jonchent les champs de taches absorbantes sombres sous forme de poussière et de suie.

La détermination des niveaux de décalage par réflexion aide l'équipe à calculer la vitesse à laquelle la neige fondra et quand elle atteindra finalement les réservoirs en aval, explique Berisford.

Plus précise

Les Californiens essaient de mesurer avec précision le manteau neigeux de la Sierra depuis plus d'un siècle. Chaque hiver, le département des ressources en eau de Californie envoie des géomètres en skis de fond et en raquettes dans des centaines d'endroits désignés, où ils plongent profondément des tubes de mesure en aluminium dans la neige. Ces données sont complétées par plus d'une centaine de stations de capteurs à distance situées dans toute la gamme, où des coussins à neige fournissent des estimations basées sur le poids de la neige qui se déplace au-dessus d'eux.

Mais ces instantanés ne donnent souvent pas une image précise de ces vastes bassins versants de haute montagne. Certaines années, la quantité estimée d'eau qui finit par atteindre des réservoirs comme le système Hetch Hetchy, qui dessert près de trois millions de clients autour de San Francisco, peut être inférieure à 40 %. C'est plus ou moins des dizaines de milliards de gallons d'eau.

Mais après cinq ans de fonctionnement, au cours d'années très humides, très sèches et moyennes, le taux d'erreur du programme de la NASA est en moyenne d'environ 2 %, explique Painter.

C'est l'enquête la plus précise sur le manteau neigeux jamais réalisée, dit-il.

Mesure depuis l'espace

Jusqu'à présent, le programme ASO de la NASA, qui passe d'une phase pilote à une phase opérationnelle, ne couvre qu'environ un tiers de la Sierra. Mais la NASA, le département californien des ressources en eau et plusieurs districts hydrauliques plaident en faveur de son extension à travers la Californie. Cela nécessiterait des avions supplémentaires, des installations et plusieurs millions de dollars de financement annuel. Des représentants de la Friant Water Authority et d'autres districts de l'eau ont eu des discussions avec les législateurs pour mettre de côté des fonds pour le programme.

Painter dit que la NASA est également en pourparlers sur la mise en place d'efforts similaires dans le bassin du Columbia qui s'étend à travers l'Oregon, Washington et le Canada, et le bassin du fleuve Colorado, où ils ont également effectué des vols d'enquête précoces.

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Les objectifs ultimes de la NASA sont bien plus ambitieux. Le Goddard Space Flight Center à Greenbelt, Maryland, a effectué une série de tests sur les montagnes et plateaux enneigés autour de Grand Mesa, Colorado. L'objectif du projet de recherche pluriannuel, connu sous le nom de SnowEx , est de déterminer quelle combinaison de capteurs et de techniques permettra à la NASA de mesurer l'équivalent neige-eau depuis l'espace.

Dans l'état actuel des choses, les satellites actuels ne peuvent déterminer que l'étendue de la neige sur les continents, pas la quantité d'eau qu'elle contient.

Cet effort pourrait aider d'autres régions du monde aux prises avec les mêmes types de défis et d'incertitudes liés à l'eau que la Californie. Il pourrait également fournir des données sur la réflectivité changeante de la planète à mesure que les températures augmentent et que moins de neige s'accumule, offrant un aperçu d'un mécanisme de rétroaction crucial du changement climatique.

Nous avons besoin d'une mission satellite capable de mesurer la neige à l'échelle mondiale, a déclaré Charles Gatebe, scientifique adjoint du projet pour SnowEx. Nous recherchons les outils.

Difficile de s'adapter

Mais en fin de compte, des informations plus nombreuses et de meilleure qualité ne peuvent pas faire grand-chose.

Si les modèles de précipitations changent autant que l'étude de Swain le prédit, la situation exigera des changements bien plus importants dans l'infrastructure et les pratiques de l'eau en Californie. Et s'adapter à une nouvelle normalité est difficile lorsque cette nouvelle normalité est la volatilité.

Notamment, certains affirment que des sécheresses de plus en plus graves obligeront l'État à construire des réservoirs supplémentaires. Mais cette même mesure aggraverait les risques d'inondation pendant les années humides, car de fortes pluies débordent sur les bassins.

D'autres experts californiens en gestion de l'eau pensent que l'État devra développer un système beaucoup plus flexible, en s'appuyant davantage sur les plaines inondables naturelles et les aquifères plutôt que sur les réservoirs artificiels. Cela nécessitera une infrastructure entièrement différente, comprenant probablement des digues, des pipelines et des canaux, pour protéger les communautés et transporter l'eau.

C'est peut-être le moyen le plus prometteur d'atténuer le risque, dit Swain. Mais honnêtement, ce sera un défi difficile. Ça va être dur de s'adapter.

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