Aus der Luft kartieren Wissenschaftler die riesige Schneedecke Kaliforniens

Elizabeth Carey flog Tausende Meter über der Sierra Nevada in einem Flugzeug, das mit speziellen Bildgebungsgeräten ausgestattet war, und scannte die Berge mit Lasern, um den Schnee präzise zu kartieren.

Der Schnee, der die Sierra bedeckt, liegt so tief, dass die Bergkette überraschend angeschwollen und „aufgedunsen“ aussieht, sagte Carey, der die Flüge im Rahmen eines staatlich finanzierten Programms leitet.

„Die Wassermenge, die wir dieses Jahr in der Schneedecke haben, ist einfach umwerfend“, sagte sie. „Es war einfach außergewöhnlich.“

Durch die Kartierung der Schneedecke mit Laserpulsen und Spektrometern sind Carey und ihre Kollegen in der Lage, ein detailliertes Bild einer der größten Schneeansammlungen zu liefern, die jemals im Bundesstaat aufgezeichnet wurden. Die Flüge sammeln auch Daten, um abzuschätzen, wann und wie schnell der Schnee schmelzen wird. Dies hilft den kalifornischen Behörden, sich auf den Abfluss vorzubereiten, die Wasserabgabe aus Dämmen zu verwalten und zu beurteilen, welche Gebiete am stärksten von Überschwemmungen bedroht sind.

Ihre Messungen zeigen zusammen mit Schätzungen anderer Forscher, dass die Schneedecke, als sie im April ihren Höhepunkt erreichte, etwa 40 Millionen Morgen Fuß Wasser enthielt, fast so viel wie die Gesamtkapazität aller Stauseen des Staates zusammen. Obwohl ein Teil dieses Schnees in tieferen Lagen zu tauen begonnen hat, verbleibt ein Großteil davon in den Bergen – was die Voraussetzungen für ein Schmelzen in großem Ausmaß sowie für enorme Flussströme schafft, die einige tiefer gelegene Gemeinden überschwemmen könnten.

Um sich auf den Ansturm der Schneeschmelze vorzubereiten, verlassen sich staatliche Wassermanager und Notfallbeamte auf die umfangreichen Luftaufnahmen von Careys Arbeitgeber, Airborne Snow Observatories Inc.

Während sie Daten aus 23.000 Fuß Höhe sammelten, hatten die Flugteams einen seltenen Aussichtspunkt, um Zeuge der dramatischen Veränderung der Berge darunter zu werden. In einigen Gebieten haben sie Schneeverwehungen mit einer Tiefe von 80 Fuß oder mehr gemessen. Klippen, die einst aus den Berghängen ragten, wurden verschüttet und verschwinden in weißen Hängen.

„Es sieht aus wie eine arktische Landschaft“, sagte Thomas Painter, ein Schneewissenschaftler und Geschäftsführer der Airborne Snow Observatories. „Jedes Mal, wenn wir jetzt fliegen, messen wir die Geschichte.“

Laut Painter erreichte die Schneedecke in der gesamten Sierra Nevada in diesem Jahr ihren Höhepunkt bei etwa dem 2,7-fachen des Durchschnitts und wog schätzungsweise 55 Milliarden Tonnen.

Seit dieser Woche beträgt die Schneedecke mehr als 300 % des Durchschnitts für diese Jahreszeit, und die südliche Sierra ist unter einer Schneedecke begraben, die mehr als das Vierfache des Durchschnitts von Mitte Mai beträgt.

„Dies wird der Maßstab sein, an dem die folgenden Jahre gemessen werden“, sagte Painter.

Die Luftaufnahmen haben es den Wissenschaftlern ermöglicht, viel detailliertere Schneeschätzungen als in der Vergangenheit zu erhalten. Bisher verließen sie sich weitgehend auf automatisierte Schneesensoren sowie manuelle Untersuchungen, bei denen Spezialisten in die Berge wandern und Metallrohre in den Schnee versenken, um den Wassergehalt zu messen.

Das Unternehmen nutzt drei Flugzeuge, um Wassereinzugsgebiet für Wassereinzugsgebiet vom Einzugsgebiet des Yuba River bis zum Einzugsgebiet des Kings River zu vermessen. Die Flugbesatzungen bringen mit Daten gefüllte Festplatten mit zurück, die in Computermodelle eingespeist werden, die detaillierte Vorhersagen über Abfluss und Wasserfluss erstellen.

Die neuen Methoden, sagte Painter, seien wie „ein plötzlicher Übergang vom Radio zum hochauflösenden Fernsehen“.

Die Luftaufnahmen liefern ein dreidimensionales Bild jedes Wassereinzugsgebiets, das einem CT-Scan ähnelt, und helfen bei der Entscheidungsfindung über die Freisetzung von Wasser aus Dämmen unter Bedingungen mit hohem Durchfluss, sagte Wes Monier, Chefhydrologe des Turlock Irrigation District. Der Bezirk verwaltet die Freisetzungen aus dem Don Pedro-Stausee, der mittlerweile zu 73 % gefüllt ist.

„Dies ist ein entscheidender Faktor für das Verständnis, wie diese Flutfreisetzungen erfolgen können“, sagte Monier. „Diese Intelligenz hatten wir noch nie.“

Das Unternehmen stellt Daten dem State Department of Water Resources zur Verfügung, das die Informationen nutzt, um die Messungen seines Netzwerks aus 130 Schneesensoren in der Sierra Nevada zu ergänzen.

Die Daten werden auch von anderen Behörden genutzt. Als Lawinen den Highway 395 verschütteten und Stromleitungen in der Nähe des Mono Lake zum Einsturz brachten, flog das Team über das Gebiet, kartierte den Schnee und übergab die Daten an Caltrans und Southern California Edison.

Carey, ein ehemaliger NASA-Astrophysiker, hockte kürzlich unter dem Bauch eines Flugzeugs am Mammoth Yosemite Airport und zeigte auf einen Zylinder voller Geräte und Linsen, darunter zwei hochauflösende Kameras, zwei Spektrometer und das Dual-Laser-Scanning-Lidar-System.

In jedem Wassereinzugsgebiet fliegt die Besatzung in einer Reihe von Linien hin und her.

„Wir mähen einfach den Rasen über der Sierra Nevada und schießen Laserimpulse aus dem Boden des Flugzeugs“, sagte Carey. „Wir schießen etwa eine halbe Million Laserimpulse pro Sekunde.“

Die Laser dringen weniger als einen Zentimeter in den Schnee ein, sodass das Team jede Messung mit schneefreien Messwerten der Landschaft vergleichen und so Aufschluss darüber geben kann, wie tief die Schneedecke ist.

„Wir gehen so schnell wir können“, sagte Carey. „Wir können allein mit einem kurzen sechsstündigen Flug so viele Informationen gewinnen.“

Eines der gemieteten Flugzeuge, eine King Air 90, verfügt nicht über einen Druck wie ein normales Passagierflugzeug, sodass die Besatzung Sauerstoffmasken tragen muss, um die dünne Luft einzuatmen.

Normalerweise beenden sie ihre Vermessungsflüge im Juni. Aber da dieses Jahr so ​​viel Schnee liegt, planen sie, bis in den August hinein weiterzufliegen.

Die Spektrometer, die vom Flugzeug nach unten blicken, erfassen Bilder in Hunderten von Wellenlängen, vom sichtbaren Spektrum bis zum kurzwelligen Infrarot. Dadurch wird die Albedo oder das Reflexionsvermögen des Schnees gemessen – ein Schlüsselfaktor dafür, wie schnell er schmilzt.

Wenn wochen- oder monatelang Schnee auf dem Boden liegt, werden die Schneekörner größer, absorbieren mehr Sonnenlicht und beschleunigen das Schmelzen. Wenn Staub auf den Schnee geweht wurde, führt die dunklere Oberfläche auch zu einem schnelleren Schmelzen. Doch in diesem Jahr sorgten die Stürme immer wieder für frischen Pulverschnee und hinterließen eine stark reflektierende Schneedecke.

In der ersten Maiwoche brachte ein seltener Sturm in der Spätsaison erneut Neuschnee. Painter sagte, das hohe Reflexionsvermögen des Schnees habe das anfängliche Schmelzen verlangsamt.

Bis weit in den Frühling hinein blieb die Schneedecke „sehr sauber, sehr hell“, reflektierte das Sonnenlicht und blieb größtenteils gefroren.

In den letzten Tagen habe sich die Schneedecke jedoch in tieferen Lagen verdunkelt, sagte er. Die Temperaturen sind gestiegen und das Schmelzen hat sich beschleunigt.

Im südlichen San Joaquin Valley hat Abfluss den seit langem ausgetrockneten Tulare Lake wieder aufgefüllt und Zehntausende Hektar Ackerland überschwemmt. Die Schneeschmelze bedroht auch tiefer gelegene Städte in der Nähe.

Einige, die die Stauseen Kaliforniens verwalten, vergleichen die diesjährige Schneeschmelze mit „einem außer Kontrolle geratenen Zug, den man ganz gut sehen und vorhersagen kann, den man aber einfach nicht anhalten kann“, sagte Noah Molotch, ein Forscher am NASA Jet Propulsion Laboratory, der die Schneemenge schätzt Wasseräquivalent in der gesamten Sierra. „Sie haben die Wassermenge, die in ihre Systeme gelangt, ziemlich gut im Griff. Sie haben einfach keinen Platz, wo sie das Wasser abstellen können.“

Klima & Umwelt

Die Schneedecke ist so tief, dass sie derzeit etwa 30 Millionen Hektar Wasser enthält – mehr Wasser als Lake Mead, der größte Stausee des Landes.

Die Geschwindigkeit des Schmelzens wird von den Temperaturen in den kommenden Wochen abhängen. Wenn der Abfluss der Schneeschmelze in einem moderaten Tempo erfolgt, werde er besser beherrschbar sein, sagte Molotch.

Basierend auf den aktuellen Trends werden einige Wassereinzugsgebiete der Sierra Mitte bis Ende Mai ihren Höhepunkt erreichen, während andere im Juni ihren Höhepunkt erreichen werden, sagte Molotch.

Er und andere Experten warnen davor, dass die langfristigen Wasserprobleme des Staates bestehen bleiben und mit der weiteren Erwärmung des Klimas noch akuter werden, auch wenn die große Schneedecke die Wasserversorgung Kaliforniens nach drei extrem trockenen Jahren etwas entlastet hat.

Der extreme Wechsel von der Rekorddürre zu diesem historischen Schneejahr verdeutlicht das Phänomen des „Klima-Schleudertraumas“, auf das sich der Staat vorbereiten muss, sagte Mark Gold, Direktor für Wasserknappheitslösungen beim Natural Resources Defense Council.

„Es sollte jedem klar machen, dass sich die Art und Weise, wie wir in Kalifornien mit den Wasserressourcen umgehen, ändern muss“, sagte Gold. „Wir müssen die Klimaextreme angemessener planen, und das tun wir als Staat nicht angemessen.“

Gold sagte, dazu gehöre auch die Planung von Projekten, um bei extrem hohen Abflüssen viel mehr Wasser aufzufangen, um das erschöpfte Grundwasser im San Joaquin Valley wieder aufzufüllen. Er sagte, die Vorbereitung auf Extreme erfordere auch den Einsatz der besten verfügbaren Wissenschaft, einschließlich der Fernerkundung durch Flugzeuge und Satelliten.

Klima & Umwelt

Ein neuer Staatsplan für das Central Valley sieht vor, über einen Zeitraum von 30 Jahren bis zu 30 Milliarden US-Dollar auszugeben, um sich auf die Gefahren vorzubereiten.

Painter sagte, die Schneebeobachtungen aus der Luft seien zu einem „Teil der staatlichen Wasserinfrastruktur“ geworden und von entscheidender Bedeutung für die Verbesserung des Wassermanagements, da der Klimawandel zu stärkeren Schwankungen zwischen Trockenperioden und extrem nassen Bedingungen führt.

Painter startete das Programm im Jahr 2013, als er bei JPL in La Cañada Flintridge arbeitete. Mit einem einzigen Flugzeug maßen er und sein Team 2015 die kleinste Schneedecke aller Zeiten und untersuchten dann 2017 den Tiefschnee, als Abfluss die Stauseen des Staates füllte.

Painter verließ die NASA im Jahr 2019 und führte die Arbeit durch ein Spin-off fort, indem er die Technologie an Airborne Snow Observatories, ein neues gemeinnütziges Unternehmen, übertrug. Das Unternehmen beschäftigt mittlerweile 22 Mitarbeiter.

Das Painter-Team hat in diesem Jahr bisher 42 Flüge über die Sierra Nevada durchgeführt. Es flog auch über das Colorado River Basin und andere Teile des Westens, um Daten zu sammeln.

In der Sierra Nevada betreiben Staatsbeamte weiterhin das Netzwerk automatisierter Schneesensoren und führen manuelle Untersuchungen an etwa 250 Standorten durch. Diese Messungen am Boden ergänzen die Luftbilddaten.

„Es gibt uns wirklich zum ersten Mal eine echte Wassereinzugsgebiets-Bilanzierung“, sagte David Rizzardo, Leiter der Hydrologieabteilung des Ministeriums für Wasserressourcen. „Und es macht es äußerst genau.“

Klima & Umwelt

Der epische Schneefall in Mammoth Lakes ist für die Bewohner dieser kalifornischen Skigebietsgemeinde zu einem Albtraum geworden.

Die Flüge vermessen 12 der 18 vom Staat überwachten Bergbecken und fliegen in der Regel drei- bis viermal jährlich in jedem Wassereinzugsgebiet. Rizzardo sagte, das Ziel des Staates bestehe darin, das Programm auf alle 18 Wassereinzugsgebiete auszuweiten und in jedem sechs bis acht Mal pro Jahr zu fliegen.

Persönlich sagte Painter, dass er glücklich sei, den ganzen Schnee zu sehen. Neben seinem Haus in Mammoth lag der Schnee bis zu 20 Fuß hoch. Er freut sich den ganzen Sommer über aufs Skifahren.

Während seiner Jahre, in denen er den Schnee in der Sierra Nevada erforschte, beobachtete Painter, wie sich die Gletscher mit steigenden Temperaturen zurückzogen. Diese seltene starke Schneedecke wird zu einem einjährigen Gletscheraufbau führen, aber er geht davon aus, dass die Ausdehnung nicht lange anhalten wird.

„Wir wissen, dass wir mit dem Klimawandel nicht mehr viele große, schneereiche Jahre erleben werden. Viele davon werden sich in Regen verwandeln, immer mehr Regen“, sagte Painter.

„Und es hat etwas sehr Sentimentales“, sagte er. „Ich denke, wir haben wirklich großes Glück, ein Jahr wie dieses zu überstehen.“