1889年、ニューメキシコ州の辺境の国境の町エンベドゥ近郊で、グランドキャニオンの著名な探検家であり、米国地質調査所の第2代所長でもあったジョン・ウェズリー・パウエルが、静かな科学革命の口火を切りました。
彼は、水が米国西部でますます重要になることを understood していましたが、利用可能な水量を算出する方法は誰も確立していませんでした。パウエルは、14人の学生、3人の指導教員、2人の作業員、そして料理人からなる野外キャンプを設営し、彼らに米国の河川を流れる水量を測定する初の水位計の開発の任務を与えました。
彼らの成功により、リオグランデ川から灌漑用にどれだけの水を取水しても、航行不能になったり、さらに悪いことに完全に干上がったりしないかを把握できるようになりました。
それから1世紀以上が経った現在、USGSは全米で1万基以上の河川水位計を運用しており、それらは最初のエンベドゥの水位計と非常によく似ています。他の国々もさらに数千基を運用しています。
今日、私のような水文学者は、河川水位計のネットワークに加え、降雨、土壌水分、積雪深、そして水循環のその他の要素を測定する、同様に大規模なセンサー網を活用しています。これらのツールは、人々や生態系がどれだけの水を利用できるのか、また水がどのように場所から場所へと移動するのかを示す助けとなります。
宇宙への展開
過去30年間、水文学は厄介な問題に直面してきました。水文学者が答えたい問いに対して、センサーの数が単純に足りないのです。
例えば、カリフォルニア州のシエラネバダ山脈のような山岳地帯に蓄積された雪の量を測定することを考えてみてください。この水は同州にとって極めて重要な資源です。シエラネバダ山脈には、約130基の「スノーピロー（雪の枕）」が設置されており、その直上の雪に蓄えられた水量を測定しています。しかし、これらのセンサーが測定できる範囲は、シエラネバダ山脈全体の面積のおよそ100万分の2パーセント程度にすぎません。
シエラネバダ山脈全体に蓄えられた水の総量を算出しようとすると、方法論上の壁にぶつかります。そこに直接到達する良い方法はないのです。
この種の問題は、雪から土壌水分、河川から貯水池に至るまで、水文学のあらゆる分野で生じています。より多くのセンサーを設置することも一つの選択肢ですが、維持費が高額であり、山脈全体を測定できるだけの数を設置することは不可能です。より良い選択肢は、広大な領域を一度に測定することでしょう。
約20年前から、少数の科学者グループが新たな解決策を提案し始めました。宇宙から水循環を測定できないだろうか、という考えです。
サスカチュワン大学のジェイ・ファミリエッティは、これらの科学者の一人でした。ファミリエッティの研究の多くは、2002年に打ち上げられた一対の衛星からなる重力回復・気候実験（GRACE）ミッションを活用してきました。愛称で「トムとジェリー」と呼ばれるこの衛星は、地球の周りを互いに追いかけ合いながら、二つの衛星間の距離のわずかな変化を利用して地球の重力の変化を測定します。こうした変化の多くは、水の移動によって生じるものです。GRACEは、地下水、地表、大気にわたる水の総貯留量の変化を追跡します。
「[GRACE]は、人間が水資源の利用可能性に及ぼす影響と、気候変動が水資源の利用可能性に及ぼす影響の両方を捉えることができるため、説得力のある全体像を描き出しています」とファミリエッティは私に語りました。彼のGRACEを用いた研究の一部では、北インド、中東、その他の地域で地下水の大幅な減少が示されており、これらの地域は将来的に水不足に陥りやすい可能性があります。最初の一対のGRACE衛星は2017年に運用を停止しましたが、新たな一対の衛星が翌年に打ち上げられました。
黄金時代
水循環の特定の要素を測定するために設計された他の衛星も、GRACEとほぼ同時期に運用を開始しましたが、いくつかの限界がありました。
IceSATは2003年から2009年まで運用され、氷河や氷床の形状変化を測定しましたが、そのレーザーには技術的な問題があり、寿命が制限されていました。熱帯降雨観測ミッション（TRMM）は低緯度地域の降水量に関するデータを提供しましたが、雪や強い雷雨が発生する地域では性能が不十分でした。科学者たちは、受動型マイクロ波センサーのデータを利用する改良された手法を考案しました。これらのセンサーの一部はすでに軌道上にあり、土壌水分の推定に用いられましたが、提供されるデータは比較的粗い空間スケールに限られていました。
2014年以降、新世代の衛星によって改善が進んでいます。全球降水観測計画（GPM）は、複数の衛星からなる衛星群であり、TRMMから大幅に改良されています。IceSAT-2は、NASAが2018年に打ち上げたもので、先代よりもはるかに優れたレーザーを搭載しています。また、欧州宇宙機関（ESA）とNASAが打ち上げた土壌水分専用のミッションにより、過去のセンサーよりも精密な測定が可能になっています。
私は、地球上で最も容易に利用可能な水資源である河川と湖沼を測定することを専門とする初のプロジェクトを打ち上げる、国際チームの一員です。地表水および海洋地形観測（SWOT）ミッションは能動型センサーであり、2021年から、レーダーパルスを地球に向けて送信し、それが衛星に戻るまでの時間を測定します。精緻なアルゴリズムを通じて、SWOTは世界中の数百万の湖沼や貯水池に蓄えられた水量の変化を測定し、世界の主要河川の大部分を流れる水量を宇宙から推定します。
これらすべての衛星により、水文学者は宇宙からの観測を用いて、水循環の多くの個別要素を追跡できるようになります。次の課題は、それらすべての測定値を首尾一貫した形でまとめることです。各衛星には固有の特性があります。科学者たちは、過去および現在のすべてのデータを、地球の水循環に関するコンピューターシミュレーションと統合する作業を進めています。
これらの観測を総合すれば、干ばつの予測精度向上、洪水の追跡、そして気候変動が水資源へのアクセスをどのように変化させているかについて世界に伝えることに役立ちます。例えば、衛星群の観測により、すでに地球上で最も乾燥した地域の一つである世界の内陸流域、特に中央アジアのアラル海が、急速に水を失いつつあることが示されています。
宇宙機関はまた、現在の衛星ではまだ十分に観測できない水循環の部分、例えばシエラネバダ山脈の積雪などを対象とした新たなミッションも計画しています。蒸発量の推定も依然として大きな課題です。現在の手法では地球規模の分布パターンが大きく異なり、宇宙から蒸発量を確実に推定するための新たな解決策への道筋は、なお不確実なままです。
衛星は、水文学の傍流にある物珍しい存在から、地球の水循環を理解するうえでの中心的な役割を担う存在へと発展しました。ジョン・ウェズリー・パウエルが、新設されたUSGSのメンバー20名余りをリオグランデ川の岸辺へ送り出したとき、彼は130年後に私のような水科学者が、数百マイル上空を周回する衛星を使って彼の足跡をたどることになるとは、おそらく想像もできなかったことでしょう。
