CM – Un projet de recherche sur le climat pourrait changer la façon dont nous prévoyons l’eau dans l’Ouest

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L’observatoire mobile est composé de 100 scientifiques qui espèrent montrer comment l’Occident peut mieux comprendre où et quand l’eau sera disponible

CRESTED BUTTE – Huit conteneurs d’expédition blancs, des instruments jaillissant du haut de certains et un générateur bourdonnant dans un autre, se trouvent dans la vallée de l’East River, à la périphérie de cette ville de montagne, extrayant des données de l’air.

Les conteneurs, un «observatoire atmosphérique mobile», rassembleront des informations au cours des deux prochaines années sur les vents, les nuages, la pluie, la neige, la chaleur et le froid au-dessus de la voie navigable argentée et serpentine alors qu’elle glisse devant le dôme de granit gris de la montagne gothique. en route vers le fleuve Colorado.

« C’est comme un satellite, mais au sol en regardant vers le haut », a déclaré Heath Powers, qui supervise le programme d’observatoire atmosphérique géré par le département américain de l’Énergie. « C’est un carnaval scientifique itinérant. »

Voyager, en effet. La dernière mission de l’observatoire, maintenant dans l’ancienne ville minière de Gothic, à 9 milles au nord de Crested Butte, était sur le pont d’un navire de recherche allemand bloqué par les glaces dans l’Arctique.

« Nous sommes allés sur les sept continents avec ces observatoires », a déclaré Powers. « Il est surprenant de trouver un endroit aussi reculé et stimulant ici dans les vieux États-Unis. »

L’observatoire, bien qu’en demande partout dans le monde, est la pièce maîtresse d’un effort sans précédent pour comprendre comment – et combien – l’eau se déplace du ciel vers les rivières de l’Ouest. Trois équipes distinctes, près de 100 scientifiques au total, sont dans la vallée de l’East River pour étudier toutes les facettes de la question.

Les chercheurs utilisent une gamme tout aussi large d’instruments, des ballons aux drones en passant par les avions en passant par plusieurs types de radars, les chambres à nuages ​​et les capteurs de flux, les jauges de flux et les seaux de pluie.

L’objectif est de mieux comprendre « l’histoire de l’eau » afin que les gestionnaires de l’eau à travers l’Ouest puissent, d’année en année, avoir une meilleure idée de la quantité d’eau qui sera disponible.

L’ouest des États-Unis a toujours compté sur les ressources en eau provenant de ces systèmes montagneux accidentés », a déclaré Dan Feldman, le chercheur principal du projet utilisant l’observatoire mobile.

Ces systèmes, cependant, ne sont pas bien compris, ce qui entrave les prévisions. « Nous connaissons la liste des processus physiques, chimiques et biologiques qui affectent l’eau », a déclaré Feldman. « La question est de savoir comment s’emboîtent-ils ?

C’est plus qu’une simple question théorique. À mesure que le climat change et que le monde se réchauffe, le manteau neigeux des Rocheuses, qui fournit 75 % de l’eau du bassin du fleuve Colorado, a déjà diminué d’un cinquième au cours des 30 dernières années et d’ici 2050, le débit du fleuve, alimentant l’eau à 40 millions de personnes, pourrait baisser jusqu’à 20 %.

« Nous entrons dans un avenir non analogique, où le passé ne dit pas l’avenir », a déclaré Feldman. « Nous nous éloignons loin et rapidement du passé. »

Ainsi, Feldman dirige un groupe de scientifiques du projet Surface Integrated Atmosphere Laboratory (SAIL), tandis que Gijs de Boer dirige l’étude de la National Oceanic and Atmospheric Administration sur les précipitations, la basse atmosphère et la surface pour l’hydrométéorologie (SPLASH).

Tous deux cherchent à mieux comprendre la dynamique atmosphérique — nuages ​​et pluie, vent et neige.

Le plus ancien des projets, datant de 2015, est le Watershed Function Science Focus Area (pas d’acronyme propre, juste SFA), qui retrace ce qui arrive à la neige et à la pluie une fois qu’elle tombe sur Terre.

« L’objectif est d’améliorer la prévision et la comptabilité de l’eau », a déclaré Ken Williams, chercheur principal pour le projet de bassin versant.

L’étude d’un seul petit bassin versant – avec des mesures allant de la taille des gouttes de pluie à la quantité d’eau qui pénètre profondément dans le substratum rocheux – peut-elle raconter l’histoire du fleuve Colorado, long de 1 450 milles et de son bassin de 246 000 milles carrés ?

« L’East River partage des caractéristiques avec la grande majorité des sources des montagnes Rocheuses », a déclaré Williams. « Ce que nous apprenons dans l’East River sera transposable à d’autres systèmes de montagne. »

L’interrupteur a été activé à l’observatoire mobile du DOE le 1er septembre et il collectera des données au cours des sept prochaines saisons.

Pendant les hivers, les trois techniciens qui exploitent le site seront enneigés, à l’exception d’une course hebdomadaire en motoneige vers la ville.

« Beaucoup, beaucoup de nouilles ramen », a déclaré Powers. L’observatoire dispose également de son propre atelier et de la fourniture de pièces détachées. « Nous sommes habitués à travailler dans des endroits où vous ne pouvez pas courir à la quincaillerie. »

La supervision de l’opération est assurée par John Myrtille, 43 ans, chef de projet principal pour SAIL. « Je dirige le cirque, dit-il. Myrtille était avec l’observatoire mobile dans l’Arctique (il a dû faire du stop sur un brise-glace russe pour s’y rendre) et s’est retrouvé bloqué à bord par le déclenchement de la pandémie de COVID-19.

Dans sa vie précédente, Bilberry était ingénieur du son pour une maison de disques et partit en tournée avec le groupe de metal industriel Ministry. « C’est un peu comme être en tournée », a-t-il déclaré. « On vous donne tout cet équipement coûteux et vous devez vous assurer qu’il fonctionne. »

SAIL, qui est géré sous les auspices du Lawrence Berkeley National Laboratory, a déployé une cinquantaine d’instruments différents, certains sur les toits ou à l’intérieur des conteneurs d’expédition, certains sur les collines de la vallée.

Le projet libère également des ballons météo deux fois par jour et dispose d’un ballon captif plus grand avec une gamme d’instruments qui seront transportés par camion autour du bassin versant.

Ces appareils recueilleront des données détaillées sur huit éléments qui affectent le cycle de l’eau : les fines particules flottant dans l’air appelées aérosols, les nuages, la pluie et la neige et les vents qui les entraînent, la lumière du soleil, l’énergie thermique et les températures.

L’imageur du ciel total suit la distribution horizontale des nuages, les radiomètres à micro-ondes mesurent la teneur en eau de ces nuages, le radar lidar Doppler évalue la direction et la vitesse du vent, et un néphélomètre mesure le comportement des aérosols.

D’autres instruments enregistreront les niveaux d’ozone, la teneur en eau de la neige qui tombe, la quantité de neige perdue par évaporation (connue sous le nom de sublimation) et le bilan énergétique de surface – la chaleur provenant du soleil et celle irradiant dans l’air.

Chaque heure, une banque d’ordinateurs, reliés aux capteurs, collecte toutes les données et les télécharge sur Internet à l’usage de SAIL et des chercheurs du monde entier. « C’est une machine virtuelle », a déclaré Myrtille.

Chacun de ces éléments d’information est comme les carreaux d’une mosaïque. « Ici, nous avons l’occasion de reconstituer ces choses », a déclaré Feldman.

L’intégration des données dans une grande image sera un défi car le comportement de n’importe quel élément peut être complexe.

Les aérosols, par exemple, peuvent, sous forme de suie, réchauffer l’air, tandis que les aérosols sulfatés peuvent le refroidir. La poussière recouvrant le manteau neigeux entraîne une fonte plus rapide. Les aérosols créent le noyau autour duquel l’humidité de l’air forme la pluie et la neige. Trop peu d’aérosol, pas de pluie, trop et l’humidité est déversée et encore une fois il n’y a pas de pluie ou de neige, jusqu’à ce qu’elle s’accumule et entraîne de très fortes averses ou neiges.

« Les aérosols ont tous ces différents effets qu’ils exercent sur ces bassins versants montagneux », a déclaré Feldman. « Les aérosols ont un impact sur la façon dont l’eau est acheminée en aval. »

Alors que les efforts de SAIL sont centrés sur le gothique, l’équipement SPLASH de la NOAA sera déployé sur plus de 10 miles et se concentrera sur la collecte de données pour aider à améliorer les outils de prévision de l’administration.

Il s’agit notamment du Unified Forecast System, qui établit des prévisions jusqu’à 14 jours, du Rapid Refresh Forecast System, qui fournit des mises à jour toutes les heures, et du National Water Model, qui prédit les débits des cours d’eau.

« SPLASH est né d’un désir de s’appuyer sur SAIL et de régler les choses pour qu’elles soient plus spécifiques aux besoins de la NOAA », a déclaré de Boer. « Cela s’est transformé en un investissement très important de la NOAA. »

Le projet est dirigé par le Laboratoire de sciences physiques de la NOAA à Boulder et l’Université du Colorado, en collaboration avec une douzaine d’autres institutions, dont la Colorado State University et le National Center for Atmospheric Research.

Parmi les installations de SPLASH, il y aura une tour de 33 pieds pour mesurer les vents, les turbulences, les radiations et les températures. Il déploiera également trois drones pour mesurer des éléments tels que l’humidité du sol et la réflectivité de la neige.

« Lorsqu’ils sont combinés, SPLASH et SAIL fournissent ce qui pourrait être l’étude la plus complète de la physique de la basse atmosphère et des échanges avec la surface, y compris l’eau, jamais menée dans des zones de terrain complexe », a déclaré de Boer.

Un matin de fin d’été, le Williams de la SFA était sur Snodgrass Mountain en train de creuser un puits profond dans le sommet de la montagne – les conteneurs d’expédition blancs de SAIL pouvaient être aperçus en bas.

Williams, un géologue du laboratoire de Berkeley, a foré des puits dans la vallée de l’East River – dans le schiste sous les forêts de trembles, les dépôts meubles de glissements de terrain des prairies alpines et le granit dur des forêts de conifères – à la recherche d’eaux souterraines.

Ce mélange de granit, de schiste et de sols provenant de l’érosion des flancs de montagne, et de forêts d’épinettes, de trembles et de conifères, ainsi que les prairies alpines qui les surplombent, est un terrain largement partagé par les bassins versants des montagnes Rocheuses.

« Le travail que nous effectuons est largement représentatif des montagnes Rocheuses en général », a déclaré Williams, « et nous permettra de comprendre la structure de ce système et la façon dont les processus physiques se déroulent dans ce système. »

Les puits de Williams ont atteint les eaux souterraines de 15 à 20 pieds sous la surface, mais dans le puits au sommet de la montagne Snodgrass, ils n’ont trouvé aucune eau, même à 300 pieds. Un trou sec. Williams a abaissé une caméra de forage et n’a trouvé que des fractures avec suintement. Pourtant, ils sont surveillés. « Toutes les données sont des données utiles », a-t-il déclaré.

Une fois l’eau trouvée dans un puits, des capteurs sont abaissés pour mesurer la teneur en eau du sol à différentes profondeurs. Des échantillons sont également prélevés pour des analyses géochimiques, telles que la datation de l’eau. Une partie des eaux souterraines trouvées par la SFA se trouve là-bas depuis 2000 ans.

L’équipe de 55 scientifiques de Williams, soutenue par des collaborateurs d’universités à travers le pays, essaie d’écrire le dernier chapitre de l’histoire de l’eau de montagne, comment un bassin versant montagneux retient et libère l’eau et combien arrive réellement à la rivière.

Les chercheurs de la SFA essaient de mesurer chaque goutte de la cime des arbres au substrat rocheux, jusqu’au rôle joué par les microbes.

« SAIL et SPLASH fournissent une compréhension beaucoup plus élevée de la manière et de l’endroit où les précipitations tombent », a déclaré Williams. SFA « prend ce transfert » et suit les débits d’eau.

« C’est la première étude allant de l’atmosphère au substratum rocheux », a-t-il déclaré. « Cela n’a jamais été fait auparavant dans un système montagneux. »

Parmi les questions auxquelles Watershed Function tente de répondre, il y a la quantité de précipitations perdues par les arbres et les plantes qui les aspirent. Dans une expérience, des fluxmètres ont été fixés à des arbres pour tracer l’écoulement de l’eau des racines aux feuilles et s’échapper sous forme de vapeur d’eau.

Une autre question est de savoir combien d’eau se retrouve dans les aquifères et combien de temps y reste-t-elle ? Alors que le ruissellement du manteau neigeux alimente la rivière au printemps, à la fin de l’été, plus de 50% du débit de l’East River provient des eaux souterraines, a déclaré Williams.

Toutes les données SFA sont également mises en ligne sur Internet – jusqu’à présent 69 ensembles de données contenant des millions de points de données – mais pas à l’heure.

Les outils permettant de comprendre les quantités massives de données collectées par les trois projets sont des modèles informatiques qui visent à tout refléter, de la quantité d’eau qui coule dans un ruisseau, à la météo de la semaine prochaine, en passant par l’impact futur du changement climatique sur le monde.

Les modèles, cependant, sont vulnérables de deux manières. Premièrement, ils sont basés sur des hypothèses sur le fonctionnement du monde – la quantité d’eau que la végétation absorbe ou la façon dont la neige s’accumule sur les flancs des montagnes – et ensuite, ils ne sont bons que par les données qu’ils exploitent. « Garbage in, garbage out » est un idiome informatique qui remonte, en idée sinon dans les mots exacts, à Charles Babbage, le père de l’ordinateur au XIXe siècle.

« Il existe un lien essentiel entre la mesure et la modélisation », a déclaré Williams. « Les modèles doivent être informés par les données collectées, pour montrer qu’ils sont ancrés dans la réalité. »

« Il s’agit de collecter des données non pour le plaisir de collecter des données, mais pour garantir que nos modèles prédictifs sont aussi précis que possible », a-t-il déclaré. Les scientifiques appellent cela la « vérification sur le terrain ».

Les données peuvent aider à affiner les hypothèses et les algorithmes qui exécutent le modèle. « Ils peuvent aider à améliorer notre connaissance de la chimie et de la physique du fonctionnement du monde », a déclaré Alejandro Flores, professeur agrégé de géosciences à l’Université de l’Idaho et chercheur de SAIL axé sur les modèles.

« Nous avons un grand angle mort en termes de précipitations et de la façon dont les modèles retiennent et libèrent l’eau », a déclaré Flores. « Nous devons maîtriser les précipitations dans les paysages de montagne qui contrôlent ces précipitations. »

SPLASH, a déclaré de Boer, cherche à mieux comprendre la «physique des processus clés», tels que la sublimation de la neige, les cristaux de neige et les événements de pluie sur neige, qui régissent la quantité d’eau qui se retrouve dans la rivière.

Ces données et informations seront utilisées pour évaluer les performances des prévisions du service météorologique et d’autres modèles de la NOAA.

En fin de compte, les données et les connaissances sur les processus chimiques, biologiques et physiques glanées dans l’East River pourraient éclairer les modèles des systèmes terrestres qui projettent le climat mondial.

« Nous n’avons actuellement pas une bonne » vérité « (pour ces modèles), car nous n’avons pas la possibilité de vérifier les projections comme nous le faisons avec les modèles météorologiques », a déclaré de Boer.

Obtenir le bon modèle, c’est un peu comme réussir la recette d’un gâteau, a déclaré Powers. « Vous devez connaître et comprendre les ingrédients, les proportions », a-t-il déclaré. « Si vous vous trompez, le gâteau est trop sucré ou il s’effondre. »

Et il ne s’agit pas seulement de savoir ce qui se passe en Occident. Entre 60% et 90% de l’eau mondiale provient des bassins versants montagneux. « Les environnements de montagne sont importants et ils changent rapidement », a déclaré Flores. « C’est une partie importante du monde et il est important de se concentrer dessus. »

« Comprendre les propriétés physiques de l’East River nous aidera à comprendre ce qui se passe à travers les Rocheuses et jusqu’à l’Oural en Russie », a-t-il déclaré. « Cela aidera partout où il y a des montagnes et les gens dépendent de la neige des montagnes pour l’eau. »

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