Forskere bruger satellitter til at måle vitale underjordiske vandressourcer

Tilgængeligheden af ​​vand fra underjordiske akviferer er afgørende for de grundlæggende behov hos mere end 1,5 milliarder mennesker verden over.

I de seneste årtier har imidlertid, overpumpning af grundvand, kombineret med tørke, har fået nogle akviferer til permanent at miste deres væsentlige lagerkapacitet.

Med håbet om at levere bedre værktøjer til vandressourceforvaltere for at holde akviferer sunde, forskere finansieret af National Science Foundation (NSF) og tilknyttet Arizona State University (ASU) og Jet Propulsion Laboratory (JPL) bruger den nyeste rumteknologi til at måle denne dyrebare naturressource.

"Tørkeperioder har langsigtede virkninger på grundvandstilførslerne og skaber store udfordringer for grundvandsforvaltningen, "siger Maggie Benoit, en programdirektør i NSFs afdeling for jordvidenskab, som finansierede forskningen. "Nu, forskere udvikler nye metoder til overvågning af grundvandsniveauer ved hjælp af satellitbaserede målinger af Jordens overflade, giver et mere omfattende billede af sundheden i vores nations grundvandsressourcer. "

Forskerne har fokuseret deres indsats på et af verdens største akvifersystemer, beliggende i Californiens Central Valley, måler både dets grundvandsmængde og dets lagerkapacitet. Resultaterne af deres fund er offentliggjort i American Geophysical Union journal Forskning i vandressourcer .

Kigger under jorden fra rummet

Californiens Central Valley er et stort landbrugsknudepunkt, der dækker et område på omkring 20, 000 kvadratkilometer. Det producerer mere end 25 procent af det amerikanske landbrug, til en anslået værdi på 17 milliarder dollar om året.

Central Valley akvifersystem giver vand til mennesker og vådområder, leverer omkring 20 procent af den samlede amerikanske grundvandsbehov. På grund af tørke og stigningen i den menneskelige befolkning tjener denne akvifer, den er rangeret som en af ​​de mest stressede i verden.

Mens tidligere undersøgelser af vandressourcer og tørke hovedsageligt har fokuseret på målinger i lav opløsning eller lokal skala af grundvandsdynamik, forskergruppen for denne undersøgelse, som omfatter ASU -forskere Chandrakanta Ojha, Manoochehr Shirzaei og Susanna Werth, og Donald Argus og Thomas Farr fra JPL, tog en mere højteknologisk rute.

De brugte dataindsamlingsfunktionerne i flere satellitbaserede Earth remote sensing teknikker til at opnå en mere konsistent og højere opløsning af Central Valley akvifersystemet.

"Ironisk, "siger Werth, "vi måtte gå flere hundrede miles ud i rummet for at se, hvad der foregik under overfladen af ​​vores planet."

Ved hjælp af disse højteknologiske, fjernmålingsteknikker, teamet analyserede data fra tørken 2007 til 2010 og kortlagde hele California Central Valley.

"Det er fantastisk, når vi kan bruge vores højteknologiske, Jord-kredsende satellitter for at hjælpe med at løse virkelige problemer lige her i Californien, "tilføjer Farr.

En indikator for akviferer rundt om i verden

Holdet målte jordforsænkning (når land over og omkring en akvifer skifter nedad) ved hjælp af rumbårne Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR) og tilføjede det til data om grundvandsniveauer, der blev udtaget ved tusindvis af brønde i Central Valley.

Forskerne brugte derefter data fra NASAs tvillingesatellitmission, Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE), at estimere tab af grundvand.

"Det er denne kombination af bogstaveligt talt terabyte med data, der hjalp os med at få det bedste billede af, hvad der sker under overfladen, "siger hovedforfatter Ojha.

Teamet fandt ud af, at mellem 2007 og 2010, der var et betydeligt fald i jordoverfladen i det sydlige område af Central Valley - næsten 32 tommer, et fald, der normalt skulle tage årtier.

"Grundvandsoverdrivelse i nogle dele af Central Valley har permanent ændret lerlag, forårsager hurtig nedsænkning af jorden, der kan måles af radarsatellitter fra rummet, "siger Shirzaei.

Det mest opsigtsvækkende resultat, imidlertid, er det permanente tab af vandlagerkapacitet i akvifersystemet. I tørken 2007 til 2010, op til 2 procent af lagerkapaciteten gik helt tabt, da vandstanden faldt, og lerlagene i systemet blev permanent komprimeret.

"Denne lagerkapacitet kan ikke genoprettes ved naturlig genopladning, "siger Ojha." Det betyder, at i den våde sæson, når Central Valley får regn, der ikke er plads nok til at opbevare vandet, gør grundvandsforsyninger mere knappe under fremtidige tørker. "

Nye satellitter til måling af virkningerne af tørke

Det næste trin for teamet vil være at fokusere på tørken i Californien fra 2012 til 2016, en periode, der var mere skadelig for Central Valley akvifer end tørken 2007 til 2010.

Forskerne planlægger at integrere radarmålinger med yderligere data fra de nyligt lancerede GRACE Follow-On (FO) satellitter.

GRACE FO -missionen, som blev lanceret den 22. maj i år, består af to næsten identiske satellitter, der følger hinanden langs den samme bane. Satellitterne måler løbende afstanden mellem dem, som ændrer sig afhængigt af tyngdekraftsfeltet, som de kredser over.

Da svingninger af grundvand ændrer tyngdekraftsfeltet, forskere kan bruge dataene til at kortlægge underjordisk vandplacering og volumenændring.

Arbejdet slutter ikke der. Teamet håber at kunne udvide forskningen til Arizona og andre områder i det tørre sydvest.

"Hele regionen er ramt af en langvarig tørke, "siger Werth, "med forskelle i sværhedsgrad, klimaforhold, grundvandsgeologi og vandforvaltningstilgange.

"Vores håb er, at denne forskning vil sætte beslutningstagere i stand til nøjagtigt at forvalte vandressourcer og planlægge fremtidige vandallokeringer. Vandforvaltere skal vide om de irreversible processer, der finder sted, og hvordan man kan forhindre fremtidige kriser."