Luftgestützte Technologie bringt neue Hoffnung für die Kartierung flacher Grundwasserleiter in den trockensten Wüsten der Erde

Die Wasserknappheit nimmt auf der ganzen Erde zu. Besonders akut ist dies in den Wüstengebieten des Nahen Ostens, die sowohl Dürre als auch extremen Bedingungen wie Überschwemmungen ausgesetzt sind. Aufgrund dieser Unsicherheiten ist man zunehmend auf oberflächennahe Grundwasserleiter angewiesen, um diese Engpässe abzumildern. Allerdings sind die Eigenschaften dieser Grundwasserleiter noch immer kaum verstanden, da für deren Bewirtschaftung auf sporadische Bohrlochprotokolle zurückgegriffen wird.

Um dieser Herausforderung zu begegnen, entwickelte ein Forscherteam der USC Viterbi School of Engineering Ming Hsieh Department of Electrical and Computer Engineering zusammen mit Mitarbeitern auf der ganzen Welt einen neuen Prototyp für das, was das Team als „Airborne Sounding Radar for Desert Subsurface Exploration“ bezeichnet Aquifers“ mit dem Spitznamen „Desert-SEA“.

Die neue Technik wird die Oberseite des Grundwasserleiters, den sogenannten Grundwasserspiegel, kartieren, der sich über Gebiete von bis zu Hunderten von Kilometern erstreckt, und zwar mithilfe eines an einem Höhenflugzeug montierten Radars. Den Forschern zufolge wird Desert-SEA zum ersten Mal die Schwankungen in der Tiefe des Grundwasserspiegels in großem Maßstab messen und es Wasserwissenschaftlern so ermöglichen, die Nachhaltigkeit dieser Grundwasserleiter ohne die Einschränkungen zu beurteilen, die mit der In-situ-Kartierung verbunden sind raue und unzugängliche Umgebungen.

„Zu verstehen, wie sich flaches Grundwasser horizontal und vertikal bewegt, ist unser Hauptziel, da es uns hilft, mehrere Fragen zu seinem Ursprung und seiner Entwicklung in den riesigen und rauen Wüsten zu beantworten. Dies sind Fragen, die bis heute unbeantwortet bleiben“, sagt Heggy, ein Forschungswissenschaftler bei USC, der sich auf die Radarfernerkundung von Wüsten spezialisiert hat und der Hauptautor des Buches ist Papier Beschreibung der Technologie in der IEEE Geoscience and Remote Sensing Magazine.

Wie es funktioniert

Die Technik nutzt Niederfrequenzradar zur Sondierung des Bodens. Das Radar sendet eine Reihe gepulster Wellen in den Boden, die bei der Interaktion mit der wassergesättigten Schicht reflektiert werden. Aus dem reflektierten Signal und mithilfe einer Reihe fortschrittlicher Antennen in Kombination mit Rechentechniken kann der Grundwasserspiegel mit relativ hoher vertikaler und räumlicher Auflösung kartiert werden.

Bei der Abbildung erscheint ein stabiler Grundwasserspiegel normalerweise als flacher Reflektor, da die entnommenen Wassermengen und die Wassermengen, die in das System gelangen (seine „Neuaufladung“), nahezu gleich sind. Wenn jedoch ein Ungleichgewicht vorliegt, wird dies im resultierenden Bild widergespiegelt, das eine Abweichung der Form des Grundwasserspiegels nach oben oder unten zeigt.

Eine ähnliche Technik wird häufig zur Untersuchung von Eis in der Antarktis und auf Planetenkörpern eingesetzt. Die Anpassung an die Erfassung flacher Grundwasserleiter in der Wüste erforderte jedoch die Lösung mehrerer Herausforderungen im Radardesign, für deren Bewältigung drei Jahre harter Arbeit mit Industriepartnern in Carlsbad, Kalifornien, erforderlich waren.

„Insbesondere mussten wir die blinde Zone in der Nähe der Oberfläche auflösen. Der stark Radar schwächende Boden, nicht quantifizierte Lärmquellen und komplexe Störungen können die Erkennung flacher Grundwasserleiter verdecken. Die Sondierungs- und Vermessungsfähigkeiten unseres Systems übertreffen die der kommerziellen Bodendurchdringung.“ „Unser System sendet stärkere Signale, verfügt über empfindlichere Empfänger und arbeitet um mehrere Größenordnungen schneller“, sagt Heggy.

Aktuelle flache Grundwasserkarten in mehreren Teilen trockener Wüsten wie der Sahara stützen sich auf Daten von Brunnen, die Dutzende, Hunderte und manchmal sogar Tausende von Kilometern voneinander entfernt sind, was zu ungenauen Schätzungen ihres Volumens und ihrer Dynamik führen könnte.

Heggy schlägt vor, dass dies so wäre, als würde man Daten über das Grundwasser in den gesamten Vereinigten Staaten allein durch die Betrachtung von Daten aus einem Brunnen in New Jersey ermitteln. (Die Wüstenfläche Nordafrikas und der Arabischen Halbinsel ist doppelt so groß wie die kontinentale Fläche der Vereinigten Staaten). Daher können Bohrlochprotokolle allein keine angemessene Einschätzung ihrer schnellen Entwicklung liefern, warnt Heggy.

Den Forschern zufolge kann die Fähigkeit von Desert-SEA, Hochleistungssignale zu übertragen und fortschrittliche Bordverarbeitung zu nutzen, die Lücken in den Daten schließen, die sich aus der geografischen Verteilung der Bohrlochprotokolle ergeben.

Mit diesem neuen Prototyp prognostiziert Heggy, dass das Team selbst mit einem kleinen Flugzeug, das mit 200 Meilen pro Stunde fliegt, in einer Stunde das abdecken könnte, was Forscher normalerweise in einem Jahr anhand von Bohrlochaufzeichnungsdaten abdecken würden.

Co-Autor Bill Brown war der leitende Ingenieur des Projekts. Brown sagt: „Das Desert Sea Radar stellt einen bedeutenden Fortschritt in der luftgestützten Sensorik und Umwelttechnik dar. Durch die Integration von Hochfrequenzradar mit KI-Technologien kann es in Echtzeit dreidimensionale Kartierungen von unterirdischen Wasserquellen erstellen. Diese Fähigkeit ist entscheidend für.“ Sicherung einer nachhaltigen Wasserbewirtschaftung in Trockengebieten.“

Während diese Technologie im Nahen Osten getestet wird, findet sie breite Anwendung an anderen Orten, die anhaltenden Dürren ausgesetzt sind, insbesondere in Zentralasien und Australien und sogar in den Wüsten der USA.

Diese Technologie funktioniert am besten in sehr trockenen Gebieten wie Sand und ihre besondere Bedeutung geht über das Verständnis der aktuellen Wasserversorgung hinaus. Es kann auch für wiederholte Bewertungen eingesetzt werden, um die Nachhaltigkeit der Landwirtschaft zu verstehen und damit die Ernährungssicherheit für Bewohner dieser extremen Umgebungen zu gewährleisten.

„Die Fähigkeit, in Rekordzeit mehr als 100 Fuß tief durch trockenen Sand und weite Wüsten zu blicken, wird es uns ermöglichen, grundlegende Fragen über die Ebbe und Flut des Grundwassers in diesen Regionen zu beantworten und darüber, wie wir es in Zukunft nutzen können nachhaltigerer Weg“, sagte Elizabeth Palmer, eine Fulbright-Stipendiatin, die an dem Projekt arbeitet.

„Ich freue mich immer, an luftgestützten Forschungsmissionen teilzunehmen. Da die Desert-SEA-Mission jedoch einen humanitären Einfluss auf die Linderung des Wasserstresses haben wird, erfüllt sie mich mit einem einzigartigen Gefühl der Motivation und des Stolzes“, sagt Akram Amin Abdellatif, Forscher am Technical Universität München (TUM) notiert.

Der nächste Schritt für das Forschungsteam besteht darin, aus diesem entworfenen Prototyp ein Flugmodell zu bauen, das in Hubschraubern und Starrflüglern implementiert werden kann.