La technologie aéroportée apporte un nouvel espoir pour cartographier les aquifères peu profonds dans les déserts les plus arides de la Terre

Les pénuries d’eau s’étendent à travers la Terre. Cette situation est particulièrement grave dans les zones désertiques du Moyen-Orient, soumises à la fois à la sécheresse et à des conditions extrêmes telles que les inondations. En raison de ces incertitudes, on dépend de plus en plus des aquifères peu profonds pour atténuer ces pénuries. Cependant, les caractéristiques de ces aquifères restent mal comprises en raison du recours à des diagraphies de puits sporadiques pour leur gestion.

Pour relever ce défi, une équipe de chercheurs de l’école d’ingénierie de l’USC Viterbi, le département de génie électrique et informatique Ming Hsieh, ainsi que des collaborateurs du monde entier, ont développé un nouveau prototype pour ce que l’équipe appelle un « radar de sondage aéroporté pour l’exploration souterraine du désert ». Aquifères », surnommés « Désert-MER ».

La nouvelle technique permettra de cartographier le sommet de l’aquifère, appelé nappe phréatique, couvrant des zones pouvant atteindre des centaines de kilomètres à l’aide d’un radar monté sur un avion à haute altitude. Selon les chercheurs, Desert-SEA mesurera, pour la première fois, les variabilités de la profondeur de la nappe phréatique à grande échelle, permettant aux scientifiques de l’eau d’évaluer la durabilité de ces aquifères sans les limitations associées à la cartographie in situ dans environnements difficiles et inaccessibles.

« Comprendre comment les eaux souterraines peu profondes se déplacent horizontalement et verticalement est notre objectif principal, car cela nous aide à répondre à plusieurs questions sur leur origine et leur évolution dans les vastes et rudes déserts. Ce sont des questions qui restent sans réponse à ce jour », déclare Heggy, chercheur scientifique à USC, spécialisé dans la télédétection radar des déserts et auteur principal du papier décrivant la technologie dans le Magazine IEEE de géoscience et de télédétection.

Comment ça fonctionne

La technique utilise un radar basse fréquence pour sonder le sol. Le radar envoie une série d’ondes pulsées dans le sol, qui se reflètent lorsqu’elles interagissent avec la couche saturée d’eau. À partir du signal réfléchi et à l’aide d’un réseau d’antennes avancées combinées à des techniques informatiques, la nappe phréatique peut être cartographiée avec une résolution verticale et spatiale relativement élevée.

Lorsqu’elle est imagée, une nappe phréatique stable apparaît généralement comme un réflecteur plat car les quantités d’eau extraites et la quantité d’eau qui entre dans le système (sa « recharge ») sont presque égales. Cependant, s’il y a un déséquilibre, cela se reflétera dans l’image résultante montrant une déviation vers le haut ou vers le bas de la forme de la nappe phréatique.

Une technique similaire est largement utilisée pour sonder la glace dans les corps antarctiques et planétaires ; Cependant, son adaptation à la détection des aquifères peu profonds dans les déserts a nécessité de résoudre plusieurs défis liés à la conception du radar, ce qui a nécessité trois années de travail acharné avec des partenaires industriels de Carlsbad, en Californie.

« En particulier, nous avons dû résoudre la zone aveugle près de la surface. Le sol fortement atténuant les radars, les sources de bruit non quantifiées et le fouillis complexe peuvent masquer la détection d’aquifères peu profonds. Les capacités de sondage et d’arpentage de notre système dépassent celles des systèmes commerciaux de pénétration des sols. radars, qu’ils soient installés en surface ou montés sur des drones. Notre système transmet des signaux plus forts, dispose de récepteurs plus sensibles et fonctionne plus rapidement de plusieurs ordres de grandeur », explique Heggy.

Les cartes actuelles des eaux souterraines peu profondes dans plusieurs régions de déserts arides, comme le Sahara, s’appuient sur des données provenant de puits distants de plusieurs dizaines, centaines, voire parfois même milliers de kilomètres, ce qui pourrait conduire à des estimations inexactes de leur volume et de leur dynamique.

Heggy suggère que cela reviendrait à obtenir des données sur les eaux souterraines de l’ensemble des États-Unis en examinant uniquement les données d’un puits du New Jersey. (La zone désertique de l’Afrique du Nord et de la péninsule arabique est deux fois plus grande que la zone continentale des États-Unis). Ainsi, les diagraphies de puits ne peuvent à elles seules donner une évaluation correcte de leur évolution rapide, prévient Heggy.

Selon les chercheurs, la capacité de Desert-SEA à transmettre des signaux de haute puissance et à utiliser un traitement embarqué avancé peut combler les lacunes des données présentées par la répartition géographique des diagraphies de puits.

Avec ce nouveau prototype, Heggy prédit que même avec un petit avion volant à deux cents milles à l’heure, l’équipe pourrait couvrir en une heure ce que les chercheurs couvriraient normalement en un an à partir des données des enregistrements de puits.

Le co-auteur Bill Brown était l’ingénieur principal du projet. Brown déclare : « Le radar de la mer du désert représente une avancée significative dans la détection aéroportée et l’ingénierie environnementale. En intégrant un radar haute fréquence aux technologies d’IA, il peut générer des cartographies tridimensionnelles en temps réel des sources d’eau souterraines. Cette capacité est cruciale pour assurer une gestion durable de l’eau dans les régions arides.

Bien que cette technologie soit testée au Moyen-Orient, elle trouve de nombreuses applications dans d’autres régions sujettes à des sécheresses prolongées, notamment en Asie centrale et en Australie, et même dans les déserts américains.

Cette technologie fonctionne mieux dans les zones très sèches comme le sable et son importance particulière va au-delà de la compréhension de l’approvisionnement actuel en eau. Il peut également être déployé pour des évaluations répétées afin de comprendre la durabilité de l’agriculture et, par conséquent, pour assurer la sécurité alimentaire des habitants de ces environnements extrêmes.

« Avoir la capacité de scruter plus de 100 pieds de profondeur à travers du sable sec, à travers de vastes déserts et en un temps record, va nous permettre de répondre à des questions fondamentales sur le flux et le reflux des eaux souterraines dans ces régions et sur la manière dont nous pouvons les utiliser de manière efficace. manière plus durable », a déclaré Elizabeth Palmer, boursière Fulbright travaillant sur le projet.

« Je suis toujours heureux de participer à des missions de recherche aéroportées. Cependant, comme la mission Desert-SEA aura un impact humanitaire sur la réduction du stress hydrique, elle me procure un sentiment unique de motivation et de fierté », a déclaré Akram Amin Abdellatif, chercheur à l’Institut technique. L’Université de Munich (TUM) l’a noté.

La prochaine étape pour l’équipe de recherche consiste à utiliser ce prototype conçu et à construire un modèle de vol qui sera mis en œuvre sur des hélicoptères et des avions à voilure fixe.