Die NASA findet einen neuen Weg, um den unterirdischen Wasserverlust zu überwachen

Forscher haben rätselhafte Muster von sinkendem und steigendem Land entwirrt, um die unterirdischen Stellen zu bestimmen, an denen Wasser zur Bewässerung gepumpt wird.

Wissenschaftler haben eine neue Methode entwickelt, die eine Verbesserung des Grundwassermanagements verspricht – entscheidend für das Leben und die Landwirtschaft in trockenen Regionen. Die Methode ermittelt, wie viel unterirdischer Wasserverlust von in Ton eingeschlossenen Grundwasserleitern stammt, die so trocken abgelassen werden können, dass sie sich nicht erholen, und wie viel von Boden stammt, der nicht in einem Grundwasserleiter eingeschlossen ist, der nach einigen Jahren wieder aufgefüllt werden kann normaler Regen.

Das Forschungsteam untersuchte das kalifornische Tulare-Becken, das Teil des Central Valley ist. Das Team fand heraus, dass der Schlüssel zur Unterscheidung zwischen diesen unterirdischen Wasserquellen in Mustern von sinkenden und steigenden Bodenniveaus in dieser stark bewässerten landwirtschaftlichen Region liegt.

Das Central Valley macht nur 1 % des Ackerlandes der USA aus, aber es baut jährlich erstaunliche 40 % des landesweiten Tafelobsts, Gemüses und Nüsse an. Eine solche Produktivität ist nur möglich, weil die Landwirte die jährlichen Niederschläge des Tals von 5 bis 10 Zoll (12 bis 25 Zentimeter) durch umfangreiches Grundwasserpumpen erhöhen. In Dürrejahren kommen mehr als 80 % des Bewässerungswassers aus dem Untergrund.

Nach jahrzehntelangem Pumpen schwinden die unterirdischen Wasserressourcen. Brunnen im Tulare-Becken müssen jetzt bis zu 3.500 Fuß (über 1.000 Meter) tief gebohrt werden, um ausreichend Wasser zu finden. Es gibt keine Möglichkeit, genau zu messen, wie viel Wasser unter der Erde verbleibt, aber Manager müssen das, was vorhanden ist, so sinnvoll wie möglich nutzen. Dabei wird überwacht, ob Wasser aus Grundwasserleitern oder aus lockerem Boden, dem so genannten Grundwasserspiegel, entnommen wird. In dieser großen Region mit Zehntausenden von nicht gemessenen Brunnen ist die einzige praktische Möglichkeit, dies zu tun, die Verwendung von Satellitendaten.

Ein Forschungsteam des Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien und des Lawrence Berkeley Laboratory des US-Energieministeriums in Nordkalifornien machte sich daran, eine Methode zu entwickeln, die genau das tun würde. Sie gingen das Problem an, indem sie Daten über Wasserverluste von den NASA-Satelliten Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) und GRACE Follow-On mit Daten über Bodenveränderungen von einem Sentinel-1-Satelliten der ESA (European Space Agency) kombinierten. Veränderungen des Bodenniveaus in dieser Region hängen oft mit Wasserverlust zusammen, denn wenn der Boden entwässert wird, sackt er schließlich zusammen und sinkt in die Räume, in denen sich früher Wasser befand – ein Prozess, der als Senkung bezeichnet wird.

Das Tulare-Becken sinkt drastisch: Die aktuelle Rate liegt bei etwa einem Fuß (0,3 Meter) Einsinken pro Jahr. Aber von einem Monat zum anderen kann der Boden sinken, steigen oder gleich bleiben. Darüber hinaus stimmen diese Änderungen nicht immer mit den erwarteten Ursachen überein. Beispielsweise steigt nach einem starken Regenfall der Grundwasserspiegel. Es scheint offensichtlich, dass dadurch auch das Bodenniveau ansteigen würde, aber manchmal sinkt es stattdessen ab.

Die Forscher dachten, diese mysteriösen kurzfristigen Schwankungen könnten der Schlüssel zur Bestimmung der Quellen des gepumpten Wassers sein. „Die Hauptfrage war, wie wir die Veränderung interpretieren, die auf diesen kürzeren Zeitskalen stattfindet: Ist es nur ein Ausreißer oder ist es wichtig?“ sagte Kyra Kim, Postdoktorandin am JPL und Mitautorin des Artikels, der in erschien Naturwissenschaftliche Berichte.

Ton gegen Sand

Kim und ihre Kollegen glaubten, dass die Veränderungen mit den verschiedenen Arten von Böden im Becken zusammenhingen. Grundwasserleiter sind durch Schichten aus steifem, undurchlässigem Ton begrenzt, während nicht begrenzter Boden lockerer ist. Wenn Wasser aus einem Aquifer gepumpt wird, braucht der Ton eine Weile, um sich als Reaktion auf das Gewicht der von oben nach unten drückenden Landmasse zu komprimieren. Unbegrenzter Boden hingegen steigt oder fällt als Reaktion auf Regen oder Pumpen schneller.

Die Forscher erstellten ein einfaches numerisches Modell dieser beiden Bodenschichten im Tulare-Becken. Indem sie den langfristigen Absenkungstrend aus den Daten zur Veränderung des Bodenniveaus entfernten, erstellten sie einen Datensatz, der nur die Schwankungen von Monat zu Monat enthielt. Ihr Modell zeigte, dass auf dieser Zeitskala praktisch die gesamte Veränderung des Bodenniveaus durch Veränderungen in Grundwasserleitern und nicht im Grundwasserspiegel erklärt werden kann.

Im Frühjahr fällt beispielsweise im Central Valley wenig Niederschlag, sodass der Grundwasserspiegel normalerweise sinkt. Aber der Abfluss von Schnee in der Sierra Nevada füllt die Grundwasserleiter wieder auf, und das führt dazu, dass das Bodenniveau ansteigt. Wenn der Grundwasserspiegel durch Regenfälle ansteigt und die Grundwasserleiter gleichzeitig durch das Pumpen während der vorangegangenen Trockenzeit komprimiert werden, sinkt das Bodenniveau. Das Modell bildete die Auswirkungen von Wetterereignissen wie Starkregen im Winter 2016/17 korrekt ab. Es entsprach auch der geringen Menge verfügbarer Daten von Brunnen und GPS.

Kim wies darauf hin, dass das neue Modell umfunktioniert werden kann, um andere landwirtschaftliche Regionen darzustellen, in denen die Grundwassernutzung besser überwacht werden muss. Mit einem geplanten Start im Jahr 2023 wird die NASA-ISRO (Indian Space Research Organization)-Mission Synthetic Aperture Radar (NISAR) Änderungen der Bodenhöhe mit einer noch höheren Auflösung als Sentinel-1 messen. Forscher können den Datensatz von NISAR mit Daten von GRACE Follow-On in diesem Modell zum Nutzen der Landwirtschaft auf der ganzen Welt kombinieren. „Wir steuern auf eine wirklich schöne Verbindung zwischen Fernerkundung und numerischen Modellen zu, um alles zusammenzubringen“, sagte Kim.