Luftbåren teknologi bringer nyt håb til at kortlægge lavvandede grundvandsmagasiner i Jordens mest tørre ørkener

Vandmangel vokser over hele Jorden. Dette er særligt akut i ørkenområder i Mellemøsten, der er udsat for både tørke og ekstreme forhold som oversvømmelser. Som et resultat af disse usikkerheder er der en stigende afhængighed af lavvandede grundvandsmagasiner for at afbøde disse mangler. Karakteristikaene ved disse grundvandsmagasiner er dog stadig dårligt forståede på grund af afhængigheden af ​​sporadiske brøndlogfiler til deres forvaltning.

For at løse denne udfordring har et team af forskere ved USC Viterbi School of Engineering Ming Hsieh Department of Electrical and Computer Engineering sammen med samarbejdspartnere over hele verden udviklet en ny prototype for det, holdet kalder en "Airborne Sounding Radar for Desert Subsurface Exploration of Desert Subsurface Exploration of Akviferer," med tilnavnet "Ørken-HAV."

Den nye teknik vil kortlægge toppen af ​​grundvandsmagasinet, kaldet vandspejlet, der spænder over områder så store som hundredvis af kilometer ved hjælp af en radar monteret på et fly i høj højde. Ifølge forskerne vil Desert-SEA for første gang måle variationerne i dybden af ​​grundvandsspejlet i stor skala, hvilket gør det muligt for vandforskere at vurdere bæredygtigheden af ​​disse grundvandsmagasiner uden de begrænsninger, der er forbundet med in-situ kortlægning i barske og utilgængelige miljøer.

"At forstå, hvordan lavt grundvand bevæger sig vandret og lodret, er vores primære mål, da det hjælper os med at besvare flere spørgsmål om dets oprindelse og udvikling i de store og barske ørkener. Det er spørgsmål, der forbliver ubesvarede den dag i dag," siger Heggy, en forsker ved USC, der har specialiseret sig i radar-fjernmåling af ørkener og hovedforfatteren af ​​papiret, der beskriver teknologien i IEEE Geoscience and Remote Sensing Magazine .

Sådan virker det

Teknikken bruger lavfrekvent radar til at sondere jorden. Radaren sender en række pulserende bølger ned i jorden, som reflekteres, når de interagerer med det vandmættede lag. Fra det reflekterede signal og ved hjælp af en række avancerede antenner kombineret med beregningsteknikker kan grundvandsspejlet kortlægges med relativt høj vertikal og rumlig opløsning.

Når det afbildes, fremstår et stabilt vandspejl normalt som fladt reflektor, da mængden af ​​vand, der trækkes ud, og mængden af ​​vand, der kommer ind i systemet (dets "genopladning") er næsten lige store. Men hvis der er nogen ubalance, vil dette blive afspejlet i det resulterende billede, der viser en opadgående eller nedadgående afbøjning i form af grundvandsspejlet.

En lignende teknik er meget brugt til at sondere is i Antarktis og planetariske legemer; Men at tilpasse den til at fornemme lavvandede grundvandsmagasiner i ørkenerne krævede at løse adskillige udfordringer i radardesignet, der tog tre års hårdt arbejde med industripartnere i Carlsbad, Californien, for at løse det.

"I særdeleshed var vi nødt til at løse den blinde zone nær overfladen. Den stærkt radar-dæmpende jord, ikke-kvantificerede støjkilder og komplekse rod kan maskere påvisningen af ​​lavvandede grundvandsmagasiner. Vores systems sonderings- og opmålingsevner overgår dem fra kommerciel jordgennemtrængning. radarer, uanset om de er monteret på overfladen eller på drone Vores system sender stærkere signaler, har mere følsomme modtagere og fungerer hurtigere i flere størrelsesordener," siger Heggy.

De nuværende kort over lavt grundvand i flere dele af tørre ørkener, såsom Sahara, er afhængige af data fra brønde, der er titusinder, hundreder og nogle gange endda tusinder af miles fra hinanden, hvilket kan føre til unøjagtige skøn over deres volumen og dynamik.

Heggy foreslår, at dette ville være som at finde ud af data om grundvand i hele USA udelukkende ved at se på data fra en brønd i New Jersey. (Ørkenområdet i Nordafrika og Den Arabiske Halvø er dobbelt så stort som det kontinentale USA). Brøndlogs alene kan således ikke give en ordentlig vurdering af deres hurtige udvikling, advarer Heggy.

Ifølge forskerne kan Desert-SEA's evne til at transmittere højeffektsignaler og bruge avanceret indbygget behandling udfylde hullerne i de data, der præsenteres af brøndlogs geografiske fordeling.

Med denne nye prototype forudsiger Heggy, at selv med et lille fly, der flyver med to hundrede miles i timen, kan holdet dække på en time, hvad forskere normalt ville dække på et år fra brøndlogdata.

Medforfatter Bill Brown var den ledende ingeniør på projektet. Brown siger:"Desert Sea Radar repræsenterer et betydeligt fremskridt inden for luftbåren sensing og miljøteknik. Ved at integrere højfrekvent radar med AI-teknologier kan den generere tredimensionelle kortlægninger i realtid af underjordiske vandkilder. Denne evne er afgørende for sikring af bæredygtig vandforvaltning i tørre områder."

Selvom denne teknologi vil blive testet i Mellemøsten, har den bred anvendelse til andre steder, der er udsat for langvarig tørke, især i Centralasien og Australien og endda i amerikanske ørkener.

Denne teknologi fungerer bedst i meget tørre områder som sand, og dens særlige betydning går ud over at forstå den nuværende vandforsyning. Det kan også bruges til gentagne vurderinger for at forstå bæredygtighed for landbruget og dermed for at sikre fødevaresikkerhed for indbyggerne i disse ekstreme miljøer.

"At have evnen til at kigge mere end 100 fod dybt gennem tørt sand, på tværs af store ørkener og på rekordtid, vil give os mulighed for at besvare grundlæggende spørgsmål om ebbe og strømning af grundvand i disse regioner, og hvordan vi kan bruge det i en mere bæredygtig måde," sagde Elizabeth Palmer, en Fulbright Fellow, der arbejder på projektet.

"Jeg er altid glad for at deltage i luftbårne forskningsmissioner. Men fordi Desert-SEA-missionen vil have en humanitær indvirkning på at lindre vandstress, giver det mig enestående følelser af motivation og stolthed," Akram Amin Abdellatif, forsker ved Technical Universitetet i München (TUM) noteret.

Det næste skridt for forskerholdet er at tage denne designede prototype og bygge en flyvemodel, der skal implementeres på helikoptere og fly med faste vinger.

Flere oplysninger: Essam Heggy et al., Airborne Sounding Radar for Desert Subsurface Exploration of Aquifers:Desert-SEA:Mission concept study [Space Agencies], IEEE Geoscience and Remote Sensing Magazine (2024). DOI:10.1109/MGRS.2023.3338512

Leveret af University of Southern California