De beschikbaarheid van water uit ondergrondse watervoerende lagen is van vitaal belang voor de basisbehoeften van meer dan 1,5 miljard mensen wereldwijd.

In de afgelopen decennia, echter, het overpompen van grondwater, gecombineerd met droogte, heeft ertoe geleid dat sommige watervoerende lagen hun essentiële opslagcapaciteit permanent hebben verloren.

In de hoop betere hulpmiddelen te bieden aan waterbeheerders om watervoerende lagen gezond te houden, wetenschappers gefinancierd door de National Science Foundation (NSF) en verbonden aan de Arizona State University (ASU) en het Jet Propulsion Laboratory (JPL) gebruiken de nieuwste ruimtetechnologie om deze kostbare natuurlijke hulpbron te meten.

"Perioden van droogte hebben langetermijneffecten op de grondwatervoorziening en creëren grote uitdagingen voor het grondwaterbeheer, " zegt Maggie Benoit, een programmadirecteur in de afdeling Aardwetenschappen van NSF, die het onderzoek financierde. "Nutsvoorzieningen, wetenschappers ontwikkelen nieuwe methoden voor het monitoren van grondwaterstanden met behulp van satellietgebaseerde metingen van het aardoppervlak, het verstrekken van een meer uitgebreid beeld van de gezondheid van de grondwatervoorraden van onze natie."

De onderzoekers hebben hun inspanningen gericht op een van 's werelds grootste aquifersystemen, gelegen in Central Valley in Californië, het meten van zowel het grondwatervolume als de bergingscapaciteit. De resultaten van hun bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift American Geophysical Union Onderzoek naar waterbronnen .

Onder de grond turen vanuit de ruimte

California's Central Valley is een belangrijk agrarisch knooppunt met een oppervlakte van ongeveer 20, 000 vierkante mijl. Het produceert meer dan 25 procent van de Amerikaanse landbouw, met een geschatte waarde van $ 17 miljard per jaar.

Het watervoerende systeem van Central Valley levert water voor mensen en wetlands, leveren aan ongeveer 20 procent van de totale vraag naar grondwater in de VS. Vanwege de droogte en de toename van de menselijke populatie dient deze aquifer, het is gerangschikt als een van de meest gestresste ter wereld.

Terwijl eerdere studies over watervoorraden en droogte zich voornamelijk richtten op metingen met een lage resolutie of lokale schaal van de grondwaterdynamiek, het onderzoeksteam voor dit onderzoek, waaronder ASU-wetenschappers Chandrakanta Ojha, Manoochehr Shirzaei en Susanna Werth, en Donald Argus en Thomas Farr van JPL, nam een ​​meer hightech route.

Ze gebruikten de gegevensverzamelingsfuncties van verschillende satellietgebaseerde aardse teledetectietechnieken om een ​​meer consistent beeld met een hogere resolutie van het watervoerende systeem van Central Valley te verkrijgen.

"Ironisch, " zegt Werth, "we moesten honderden kilometers de ruimte in om te zien wat er onder het oppervlak van onze planeet gebeurde."

Met behulp van deze hightech, teledetectietechnieken, het team analyseerde gegevens van de droogte van 2007 tot 2010 en bracht de hele California Central Valley in kaart.

"Het is geweldig als we onze hightech, In een baan om de aarde draaiende satellieten om echte problemen hier in Californië op te lossen, ", voegt Farr toe.

Een indicator voor watervoerende lagen over de hele wereld

Het team heeft bodemdaling gemeten (wanneer land boven en rond een watervoerende laag naar beneden verschuift) met behulp van in de ruimte aanwezige Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR) en voegde dat toe aan gegevens over grondwaterstanden die zijn bemonsterd bij duizenden putten in de Central Valley.

De onderzoekers gebruikten vervolgens gegevens van NASA's tweelingsatellietmissie, het zwaartekrachtherstel en klimaatexperiment (GRACE), grondwaterverlies inschatten.

"Het is deze combinatie van letterlijk terabytes aan gegevens die ons heeft geholpen om het beste beeld te krijgen van wat er onder de oppervlakte gebeurt, ", zegt hoofdauteur Ojha.

Het team ontdekte dat tussen 2007 en 2010 er was een aanzienlijke daling van het grondniveau in het zuidelijke deel van de Central Valley - bijna 32 inch, een daling die normaal gesproken tientallen jaren zou duren.

"Overdaad aan grondwater in sommige delen van de Central Valley heeft de kleilagen permanent veranderd, het veroorzaken van snelle grondverzakking die kan worden gemeten door radarsatellieten vanuit de ruimte, ' zegt Shirzaei.

Het meest verrassende resultaat, echter, is het blijvende verlies van waterbergingscapaciteit in het aquifersysteem. Tijdens de droogte van 2007 tot 2010 tot 2 procent van de bergingscapaciteit ging volledig verloren toen het waterpeil daalde en de kleilagen in het systeem permanent werden verdicht.

"Die opslagcapaciteit kan niet worden hersteld door natuurlijke oplading, " zegt Ojha. "Dit betekent dat tijdens het natte seizoen, wanneer de Central Valley regen krijgt, er is niet genoeg ruimte om het water op te slaan, grondwatervoorraden schaarser maken tijdens toekomstige droogtes."

Nieuwe satellieten om de effecten van droogte te meten

De volgende stap voor het team is om zich te concentreren op de droogte in Californië van 2012 tot 2016, een periode die schadelijker was voor de watervoerende laag in Central Valley dan de droogte van 2007 tot 2010.

De onderzoekers zijn van plan om radarmetingen te integreren met aanvullende gegevens van de nieuw gelanceerde GRACE Follow-On (FO) -satellieten.

De GRACE FO-missie, die op 22 mei van dit jaar werd gelanceerd, bestaat uit twee bijna identieke satellieten die elkaar in dezelfde baan volgen. De satellieten meten continu de onderlinge afstand, die verandert afhankelijk van het zwaartekrachtveld waarover ze cirkelen.

Omdat oscillaties van grondwater het zwaartekrachtveld veranderen, wetenschappers kunnen de gegevens gebruiken om de locatie van het ondergrondse water en de volumeverandering in kaart te brengen.

Het werk zal daar niet eindigen. Het team hoopt het onderzoek uit te breiden naar Arizona en andere delen van het droge zuidwesten.

"De hele regio wordt getroffen door een langdurige droogte, " zegt Werth, "met verschillen in ernst, klimaatomstandigheden, grondwatergeologie en waterbeheerbenaderingen.

"We hopen dat dit onderzoek besluitvormers in staat zal stellen om de watervoorraden nauwkeurig te beheren en plannen te maken voor toekomstige watertoewijzingen. Waterbeheerders moeten weten welke onomkeerbare processen plaatsvinden en hoe toekomstige crises kunnen worden voorkomen."