Наличие воды из подземных водоносных горизонтов имеет жизненно важное значение для удовлетворения основных потребностей более 1,5 миллиарда человек во всем мире, включая тех из нас, кто живет на западе Соединенных Штатов. Однако в последние десятилетия чрезмерная откачка грунтовых вод в сочетании с засухой привела к тому, что некоторые водоносные горизонты навсегда потеряли необходимую емкость для хранения.
В надежде предоставить менеджерам по водным ресурсам более совершенные инструменты для поддержания здоровья водоносных горизонтов, группа ученых из Университета штата Калифорния и Лаборатории реактивного движения (JPL) использует новейшие космические технологии, чтобы заглянуть под поверхность Земли, чтобы измерить это. ценный природный ресурс.
Они сосредоточили свои усилия на одной из крупнейших в мире систем водоносных горизонтов, расположенной в Центральной долине Калифорнии, измеряя как объем ее подземных вод, так и ее емкость. Результаты их последних выводов в этом новаторском исследовании были недавно опубликованы в Water Resources Research.
Измерение под землей из космоса
Центральная долина Калифорнии является крупным сельскохозяйственным центром площадью около 20 000 квадратных миль. Он производит более 25 процентов сельскохозяйственной продукции США, что оценивается в 17 миллиардов долларов в год.
Помимо сельскохозяйственных культур, система водоносных горизонтов Центральной долины обеспечивает необходимую воду для людей и водно-болотных угодий, обеспечивая около 20 процентов общего спроса на подземные воды в США. Благодаря сочетанию роста населения и засухи этот водоносный горизонт считается одной из наиболее подверженных стрессу систем водоносных горизонтов в мире.
В то время как прошлые исследования водных ресурсов и засухи были сосредоточены в основном на измерениях динамики подземных вод с низким разрешением или в локальном масштабе, исследовательская группа для этого исследования, в которую входят ученые Школы исследования Земли и космоса АГУ Чандраканта Оджха, Манучер Ширзаи, а Сюзанна Верт вместе с Дональдом Аргусом и Томасом Фарром из JPL пошли еще более высокотехнологичным путем.
Они использовали функции сбора данных нескольких спутниковых методов дистанционного зондирования Земли, чтобы получить более последовательное и более высокое разрешение системы водоносных горизонтов Калифорнийской долины, чем когда-либо прежде.
«По иронии судьбы, - говорит соавтор Верт, у которого также есть совместная работа в Школе географических наук и городского планирования АГУ, - нам пришлось подняться в космос на несколько сотен миль, чтобы увидеть, что происходит. под поверхностью нашей планеты."
Используя эти высокотехнологичные методы дистанционного зондирования, команда проанализировала данные за период засухи с 2007 по 2010 год и начала наносить на карту всю Центральную долину Калифорнии.
«Здорово, когда мы можем использовать наши высокотехнологичные спутники на околоземной орбите для решения реальных проблем в Калифорнии», - добавляет соавтор Фарр из Лаборатории реактивного движения.
Они измерили оседание земли (когда земля над водоносным горизонтом и вокруг него смещается вниз) с помощью космического интерферометрического радара с синтезированной апертурой (InSAR) и добавили это к данным об уровне грунтовых вод, взятых в тысячах колодцев по всей Центральной долине.
«Именно эта комбинация буквально терабайтов данных помогает нам получить наилучшую картину того, что происходит под поверхностью», - говорит ведущий автор Ojha..
Хорошая погода для водоносных горизонтов по всему миру
Из этого анализа команда обнаружила, что в период с 2007 по 2010 год произошло значительное падение уровня земли в южной части Центральной долины. Фактически, за трехлетний период произошло падение почти на 32 дюйма, снижение, которое обычно должно занимать десятилетия.
«Перерасход грунтовых вод в некоторых частях Центральной долины привел к необратимым изменениям слоев глины, вызывая быстрое опускание грунта, которое можно измерить с помощью спутников-радаров из космоса», - говорит соавтор Ширзаи.
Наиболее поразительным результатом этого исследования, однако, является необратимая потеря емкости хранения воды в системе водоносных горизонтов. Во время засухи с 2007 по 2010 год до двух процентов емкости хранилища было полностью потеряно, когда уровень воды снизился, а слои глины в системе постоянно уплотнялись.
«Эта емкость не может быть восстановлена за счет естественной подзарядки», - говорит Оджа. «Это означает, что в сезон дождей, когда в Центральной долине идет дождь, остается меньше места для его хранения, что делает запасы грунтовых вод более дефицитными во время будущих засух».
Новые спутники для измерения последствий засухи
Следующими шагами этой команды будет сосредоточение внимания на периоде засухи в Калифорнии с 2012 по 2016 год, который был даже более разрушительным для водоносного горизонта Центральной долины, чем период засухи с 2007 по 2010 год.
«Периоды засухи оказывают долгосрочное воздействие на запасы подземных вод и создают серьезные проблемы для управления подземными водами», - говорит Мэгги Бенуа, программный директор отдела наук о Земле Национального научного фонда, который предоставил финансирование для исследования. «Сейчас исследователи разрабатывают новые методы мониторинга уровня подземных вод с использованием спутниковых измерений поверхности Земли, что дает более полную картину состояния подземных вод нашей страны."
Исследователи планируют интегрировать радарные измерения с дополнительными данными с недавно запущенных спутников НАСА/GFZ GRACE Follow-On (GRACE-FO). Миссия GRACE FO, запущенная 22 мая, состоит из двух почти идентичных спутников, которые следуют друг за другом по одной и той же орбите. Спутники постоянно измеряют расстояние между собой, которое меняется в зависимости от гравитационного поля, над которым они вращаются. Поскольку колебания подземных вод изменяют гравитационное поле, ученые могут использовать эти данные для картографирования местоположения и изменения объема подземных вод.
И на этом работа не закончится. Исследовательская группа надеется расширить исследования, которые они проводят в Калифорнии, на Аризону и другие районы засушливого юго-запада.
«Весь регион страдает от длительной засухи, - говорит Верт, - с различиями в силе, климатических условиях, геологии подземных вод и подходах к управлению водными ресурсами. Мы надеемся, что эти исследования помогут властям и лицам, принимающим решения, точно управлять водными ресурсами и планировать будущее распределение воды. Руководители водного хозяйства должны знать о происходящих необратимых процессах и о том, как действовать, чтобы предотвратить кризис в будущем».