Ранним апрельским утром Дэн МакЭвой и Бьёрн Бингем проложили чистые следы по широкому склону на горнолыжном курорте Heavenly в Южной части озера Тахо. Затем они нырнули под веревочное ограждение, отделявшее участок нетронутого снега.
Они подъемным шагом поднялись по небольшому склону, миновали ряд сосен Джеффри, а затем сбросили рюкзаки.
Эта пара климатологов из Института пустынных исследований (DRI) в Рино, штат Невада, спустилась к этому исследовательскому участку посреди курорта, чтобы протестировать новый метод измерения температуры снегового покрова Сьерра-Невады. Они были оснащены экспериментальным инфракрасным устройством, которое может делать замеры по мере его опускания в скважину в снегу до самой земли.
Замерзший резервуар Сьерры обеспечивает около трети водных ресурсов Калифорнии и большую часть того, что поступает из кранов, душевых насадок и разбрызгивателей в городах и поселках северо-западной Невады. Когда снег тает в течение весны и лета, операторам плотин, водным агентствам и сообществам приходится управлять потоком миллиардов галлонов талой воды, накапливая достаточно, чтобы продержаться неизбежно сухие летние месяцы, не допуская при этом затопления водохранилищ и каналов.
Потребность в более качественных данных о температуре снегового покрова становится все более критичной для прогнозирования того, когда вода начнет сходить с гор, поскольку изменение климата способствует более жаркой погоде, ускоряет таяние снега и вызывает резкие колебания между очень влажными и очень сухими периодами.
В прошлом сбор таких снегомерных данных был трудоемкой задачей. Теперь новое поколение инструментов, методов и моделей обещает облегчить этот процесс, улучшить прогнозы стока воды и помочь Калифорнии и другим штатам безопасно управлять одним из крупнейших источников воды в условиях усиливающейся засухи и наводнений.
Однако наблюдатели опасаются, что любые подобные достижения могут быть подорваны сокращениями, проводимыми администрацией Трампа в федеральных агентствах, включая то, которое курирует федеральный мониторинг снегового покрова и изыскательские работы. Это может поставить под угрозу текущие усилия по сбору данных о воде и прогнозов, на которые полагаются западные сообщества.
«Если у нас нет этих измерений, это все равно, что ездить на машине без датчика топлива», — говорит Ларри О’Нил, штат-климатолог Орегона. «Мы не будем знать, сколько воды находится в горах, и хватит ли ее до лета».
Рождение снегосъемок
Программа снегосъемок в США зародилась возле озера Тахо, крупнейшего альпийского озера в Северной Америке, на рубеже 20-го века.
Из-за отсутствия надежного способа узнать, сколько воды сойдет с горы каждую весну, владельцы домов и предприятий на берегу озера, опасаясь наводнений, умоляли операторов плотин сбрасывать воду рано весной. Однако общины ниже по течению и фермеры выступали против, требуя, чтобы плотина использовалась для удержания как можно большего количества воды, чтобы избежать дефицита позже в году.
В 1908 году Джеймс Черч, профессор классики Университета Невады в Рино, чья страсть к пешим прогулкам по горам вызвала интерес к науке о снеге, изобрел устройство, которое помогло разрешить так называемые «Водные войны Тахо»: пробоотборник снега Маунт-Роуз, названный в честь вершины отрога Сьерры, выступающего в Неваду.
Это довольно простое устройство с секциями трубок, свинчивающимися вместе, заостренным концом и отметками измерений вдоль борта. Снегомеры измеряют глубину снега, погружая пробоотборник до земли. Затем они взвешивают заполненную трубку на специальных весах, чтобы рассчитать содержание воды в снегу.
Черч использовал это устройство для проведения измерений в различных точках хребта и калибровал свои прогнозы стока воды, сравнивая свои показания с повышением и понижением уровня озера Тахо.
Это сработало настолько хорошо, что в середине 1930-х годов США запустили федеральную программу снегосъемок, которая переросла в ту, что сегодня осуществляет Служба охраны природных ресурсов (NRCS) Департамента сельского хозяйства. В течение зимы сотни снегомеров по всему Западу США отправляются в установленные места на снегоступах, беговых лыжах или снегоходах для использования своих пробоотборников Маунт-Роуз, которые почти не изменились за более чем сто лет.
В 1960-х годах правительство США также начало создавать сеть постоянных пунктов мониторинга в горах, ныне известных как сеть SNOTEL. На территории западных штатов и Аляски размещено более 900 станций, непрерывно передающих показания. Они оснащены датчиками, измеряющими температуру воздуха, глубину снега и влажность почвы, а также включают «снежные подушки» с датчиками давления для взвешивания снега и определения содержания воды.
Данные снегосъемок и станций SNOTEL стекаются в отчеты об уровне снега и содержании воды в снегу, публикуемые NRCS, а также в прогнозы количества воды, которое наполнит ручьи и водохранилища в течение весны и лета.
Измерение температуры
Однако ни одна из этих программ изысканий и мониторинга не предоставляет данных о температуре по всей толще снегового покрова.
Снеговой покров Сьерра-Невады может достигать более 6 метров (20 футов), а температура внутри него может сильно различаться, особенно в верхней части. Показания, взятые с определенными интервалами, могут определить так называемое снеговое содержание холода (cold content) — количество энергии, необходимое для того, чтобы довести температуру снегового покрова до однородного значения 32˚F (0˚C).
Знание «снегового содержания холода» помогает исследователям понять условия, при которых начнется быстрое таяние снега, особенно при потеплении весной или после выпадения дождя поверх снега.
Например, если температура снега близка к 32˚F даже на глубине нескольких футов, несколько теплых дней могут легко спровоцировать таяние. Если же измерения температуры показывают более холодный профиль по всей толще, снеговой покров более стабилен и продержится дольше по мере потепления.
Проблема в том, что измерение температуры всего снегового покрова до сих пор было сложной и трудоемкой задачей. Когда исследователи это делают, они в основном делают это, откапывая снеговые ямы до земли, а затем снимая показания зондовыми термометрами вдоль внутренней стенки.
Были предприняты различные попытки получать непрерывные удаленные показания от датчиков, прикрепленных к заборам, проводам или башням, которые снежный покров в конечном итоге засыпает. Но движение и вес плотного смещающегося снега, как правило, ломают устройства или обрывают конструкции, на которых они установлены.
«Они редко выдерживают сезон», — говорит МакЭвой.
Энн Хегли, профессор горной гидрометеорологии в DRI, наткнулась на идею использования инфракрасного устройства для решения этой проблемы во время экскурсии по кампусу института в 2019 году, когда узнала, что исследователи используют инфракрасный термометр для мяса для бесконтактного измерения температуры снежной поверхности.
В 2021 году Хегли начала сотрудничество с RPM Systems, компанией по производству гаджетов, для разработки инфракрасного устройства, оптимизированного для полевых условий снегового покрова. Полученный профилометр температуры снега достаточно тонок, чтобы проходить через отверстие, выкопанное снегомерами, и спускается на шнуре с отметками каждые 10 сантиметров (4 дюйма).
В то апрельское утро на Хэвенли Бингем, научный сотрудник DRI, медленно опускал устройство в скважину пробоотборника, выкрикивая показания температуры на каждой отметке. МакЭвой записывал их в рабочий лист, прикрепленный к его планшету, пока сам брал показания зондовым термометром из снеговой ямы, которую пара выкопала до самой земли.
Они сравнивали измерения для оценки надежности инфракрасного устройства в полевых условиях, но конечная цель — устранить необходимость копать снеговые ямы. Есть надежда, что сотрудники государственных и федеральных изысканий смогут просто брать с собой профилометр температуры снега и опускать его в те скважины для опробования снега, которые они и так создают, чтобы собирать регулярные показания температуры снегового покрова по всему хребту.
В 2023 году Бюро мелиорации США, федеральное агентство, управляющее многими плотинами страны, профинансировало трехлетний исследовательский проект по изучению использования инфракрасных гаджетов для определения температуры снегового покрова. В рамках этого проекта исследовательская группа DRI передала устройства 20 группам снегосъемщиков в Калифорнии, Колорадо, Айдахо, Монтане, Неваде и Юте для тестирования их использования в полевых условиях и дополнения собираемых ими данных о снеговом покрове.
Снежная лаборатория
Исследовательский проект DRI — это лишь часть более широких усилий по получению данных о температуре снегового покрова в горах Запада.
К началу мая глубина снега снизилась с апрельского максимума в 114 дюймов до 24 дюймов (с 2,9 метра до 0,6 метра) в Центральной снежной лаборатории Калифорнийского университета в Беркли — старом деревянном строении, расположенном высоко в горах к северо-западу от озера Тахо.
Меган Мейсон, научный сотрудник лаборатории, с помощью лопаты для беговых лыж раскопала тройку приборов из оставшегося снежного покрова позади здания. Каждый из них имел разные типы температурных датчиков, расположенных вдоль прочной полимерной балки, предназначенной для того, чтобы выдержать вес и движение снегового покрова Сьерры.
Она извлекала приборы после проведения последнего набора наблюдений за сезон, в рамках усилий по разработке устойчивой системы, способной пережить зиму и передавать почасовые показания температуры.
Лаборатория работает над проектом под названием Инициатива по холодному содержанию Калифорнии в сотрудничестве с Департаментом водных ресурсов штата. Калифорния — единственный западный штат, который решил сохранить свою собственную программу снегосъемок и эксплуатировать собственные стационарные станции мониторинга, все из которых управляются Департаментом водных ресурсов.
План состоит в том, чтобы определить, какие приборы выдержали испытание и показали наилучшие результаты этой зимой. Затем они смогут начать тестирование наиболее перспективных подходов на нескольких дополнительных объектах в следующем сезоне. В конечном итоге цель состоит в том, чтобы установить эти устройства на более чем 100 станциях мониторинга снега в Калифорнии, — говорит Эндрю Шварц, директор лаборатории.
NRCS проводит аналогичное исследовательское усилие на избранных объектах SNOTEL, оснащенных бусинным температурным кабелем. Один такой кабель виден на станции SNOTEL Heavenly, рядом с тем местом, где МакЭвой и Бингем копали свою снеговую яму, натянутый вертикально между рукой, выступающей из основной башни, и заснеженной землей.
Шварц отметил, что различные исследовательские группы открыто общаются и сотрудничают по этим проектам, каждый из которых обещает предоставить дополнительную информацию, расширяя базу данных показаний температуры снегового покрова по всему Западу.
Десятилетиями агентства и исследователи, как правило, составляли прогнозы стока, используя довольно простые регрессионные модели, которые преобразовывали количество воды в снеговом покрове в количество воды, которое сойдет с горы, основываясь в основном на исторической взаимосвязи между этими переменными.
Но эти модели становятся менее надежными по мере того, как изменение климата влияет на температуру, уровень снега, скорость таяния и испарение, а также выводит альпийские погодные условия за пределы исторических закономерностей.
«Поскольку годы все чаще отклоняются от нормы, наши модели не готовы к этому», — говорит Хегли.
Внедрение прямых температурных наблюдений в более сложные модели, которые появились в последние годы, по словам Шварца, обещает значительно улучшить точность прогнозов стока воды. Это, в свою очередь, должно помочь сообществам справляться с засухами и предотвращать переполнение плотин, даже когда изменение климата вызывает попеременно более влажную, сухую, теплую и странную погоду.
Около четверти мирового населения зависят от воды, хранящейся в горных снегах и ледниках, а изменение климата нарушает гидрологические циклы, поддерживающие эти естественные замороженные резервуары во многих частях мира. Таким образом, любые достижения в наблюдениях и моделировании могут принести более широкую глобальную пользу.
Тревожная погода
Однако у этого прогресса есть очевидная угроза.
Даже если эти проекты сработают так, как и ожидалось, неясно, насколько широко будут развернуты эти инструменты и методы во время, когда Белый дом сокращает штат федеральных агентств, прекращает действие тысяч научных грантов и стремится сократить десятки миллиардов долларов финансирования исследовательских департаментов.
Администрация Трампа уволила или отправила в административный отпуск почти 6000 сотрудников Министерства сельского хозяйства (USDA), что составляет 6% от численности отдела. Эти сокращения затронули региональные офисы NRCS, согласно сообщениям местных и отраслевых СМИ.
По словам штат-климатолога О’Нилла, это включает более половины должностей в Портлендском офисе. Эти сокращения побудили двухпартийную группу законодателей обратиться к министру сельского хозяйства с требованием восстановить эти должности, предупреждая, что потери могут нарушить критически важные для штата данные о воде и анализы, необходимые для «сельского хозяйства, борьбы с лесными пожарами, гидроэнергетики, лесной промышленности и туризма», как сообщила Statesman Journal.
В Орегоне активно работают более 80 станций SNOTEL.
Существует опасение, что летом не хватит людей для обслуживания всех объектов с целью замены батарей, солнечных панелей и дрейфующих или сломанных датчиков, что может быстро подорвать надежность данных или прекратить поток информации.
«Сокращение штата и бюджета в NRCS сделает невозможным обслуживание приборов SNOTEL и проведение регулярных ручных наблюдений, что приведет к выходу сети из строя в течение года», — предупредили законодатели.
USDA и NRCS не ответили на запросы MIT Technology Review.
Если федеральные сокращения приведут к уменьшению объема данных, поступающих со станций SNOTEL или от федеральных служб снегосъемок, инфракрасный метод DRI сможет, по крайней мере, «предложить простой способ измерения температуры снегового покрова» в тех местах, где государственные и региональные агентства продолжают проводить изыскания, — говорит МакЭвой.
Но большинство исследователей подчеркивают, что отрасль нуждается в большем количестве изысканий, станций, датчиков и показаний для понимания того, как меняются климат и водные циклы от месяца к месяцу и от сезона к сезону. Хегли настаивает на том, что должна существовать широкая двухпартийная поддержка программ, которые собирают данные о снеговом покрове и предоставляют прогнозы стока воды, на которые полагаются фермеры и общины.
«Таким образом мы учитываем один из самых ценных ресурсов, если не самый ценный», — говорит она. «На Западе мы каждый год сталкиваемся с сезонной засухой; наш снеговой покров — это то, что постепенно сходит и помогает нам пережить эту засуху. Нам нужно знать, сколько у нас его».
