Caltech-Forscher haben eine neue Methode entwickelt, um die Bodenfeuchtigkeit in der flachen unterirdischen Region zwischen der Oberfläche und den Grundwasserleitern zu messen. Diese Region, die sogenannte ungesättigte Zone, ist für Pflanzen und Nutzpflanzen von entscheidender Bedeutung, um Wasser über ihre Wurzeln aufzunehmen.
Um jedoch zu messen, wie diese unterirdische Feuchtigkeit im Laufe der Zeit und zwischen geografischen Regionen schwankt, stützte man sich bisher auf Satellitenbilder, die nur niedrig aufgelöste Durchschnittswerte liefern und nicht unter die Oberfläche vordringen können. Darüber hinaus ändert sich die Feuchtigkeit innerhalb der ungesättigten Zone schnell – ein Gewitter kann eine Region sättigen, die einige Tage später austrocknet.
Die neue Methode basiert auf seismischer Technologie, die normalerweise misst, wie der Boden bei Erdbeben bebt. Sie kann jedoch auch die Vibrationen menschlicher Aktivität, wie etwa Verkehr, erfassen. Wenn diese Vibrationen durch den Boden gehen, werden sie durch das Vorhandensein von Wasser gebremst – je mehr Feuchtigkeit, desto langsamer verlaufen die Vibrationen. Die neue Studie misst den Wassergehalt in der ungesättigten Zone durch seismische Erschütterungen durch den alltäglichen Verkehr.
Die Forschung ist eine Zusammenarbeit zwischen den Laboren des Hydrologen Xiaojing (Ruby) Fu, Assistenzprofessor für Maschinenbau und Bauingenieurwesen, und des Seismologen Zhongwen Zhan, Professor für Geophysik. Ein Artikel, der die Arbeit beschreibt, erscheint in der Zeitschrift Naturkommunikation am 5. August.
Die neue Methode basiert auf einer im Zhan-Labor entwickelten Technik namens Distributed Acoustic Sensing (DAS). Bei dieser Technik werden Laser auf ungenutzte unterirdische Glasfaserkabel gerichtet (wie sie auch das Internet versorgen).
Wenn eine seismische Welle oder eine andere Art von Vibration durch das Kabel läuft, wird das Laserlicht gebrochen und gekrümmt. Durch die Messung der Schwankungen in diesem Laserlicht erhalten die Forscher Informationen über die vorbeiziehende Welle, wodurch das 10 Kilometer lange Kabel einer Reihe von Tausenden konventioneller seismischer Sensoren entspricht.
Nach dem Erdbeben der Stärke 7,2 im Jahr 2019 in Ridgecrest, Kalifornien, installierte Zhan ein DAS-Array an einem nahegelegenen Kabel, um Nachbeben zu messen. In Zusammenarbeit mit Fu erkannte das Team schnell, dass das Array auch verwendet werden könnte, um zu messen, wie sich alltägliche unterirdische Vibrationen je nach Bodenwassergehalt ändern.
Über fünf Jahre hinweg sammelte das Team Daten und erstellte Modelle, um zu veranschaulichen, wie sich die Feuchtigkeit in der ungesättigten Zone im Laufe der Zeit verändert. Sie fanden heraus, dass während der historischen Dürre in Kalifornien von 2019 bis 2022 die Feuchtigkeit in der ungesättigten Zone mit einer Rate von 0,25 Metern pro Jahr deutlich abnahm und damit den durchschnittlichen Niederschlag übertraf.
„Von den obersten 20 Metern des Bodens in der Region Ridgecrest können wir auf die gesamte Mojave-Wüste extrapolieren“, sagt Yan Yang, ein Doktorand der Geophysik und Co-Erstautor der Studie.
„Unsere grobe Schätzung geht davon aus, dass die ungesättigte Zone der Mojave jedes Jahr eine Wassermenge verliert, die dem Hoover-Staudamm entspricht. In den Dürrejahren 2019 bis 2022 wurde die ungesättigte Zone immer trockener.“
Die Fähigkeit, die Feuchtigkeit in der ungesättigten Zone in Echtzeit zu messen, ist für die Verwaltung des Wasserverbrauchs und für Einsparungsmaßnahmen von entscheidender Bedeutung. Als nächstes beabsichtigt das Team, die Technologie in anderen Regionen als der Wüste einzusetzen.
„Wir wissen, dass diese Methode an diesem speziellen Standort wirklich gut funktioniert“, sagt Fu. „Viele andere interessante Regionen mit demselben Klima könnten andere hydrologische Prozesse aufweisen, wie Zentralkalifornien, wo landwirtschaftliche Betriebe Wasser entnehmen, die Region aber auch Schmelzwasser aus den Bergen der Sierra Nevada erhält.“
Noch nie wurde mit seismologischen Instrumenten die Bodenfeuchtigkeit in einem so großen Maßstab über einen so langen und kontinuierlichen Zeitraum gemessen.
Mehr Informationen:
Faseroptische seismische Erfassung der Bodenfeuchtigkeitsdynamik in der ungesättigten Zone, Naturkommunikation (2024).