Wetenschap
Technologie vanuit de lucht brengt nieuwe hoop om ondiepe watervoerende lagen in de meest dorre woestijnen van de aarde in kaart te brengen
Watertekorten breiden zich uit over de hele aarde. Dit is vooral acuut in woestijngebieden in het Midden-Oosten, die onderhevig zijn aan zowel droogte als extreme omstandigheden zoals overstromingen. Als gevolg van deze onzekerheden is er een toenemende afhankelijkheid van ondiepe aquifers om deze tekorten te verzachten. De kenmerken van deze aquifers blijven echter slecht begrepen vanwege de afhankelijkheid van sporadische putlogboeken voor hun beheer.
Om deze uitdaging aan te gaan, heeft een team van onderzoekers van de USC Viterbi School of Engineering Ming Hsieh Department of Electrical and Computer Engineering samen met medewerkers over de hele wereld een nieuw prototype ontwikkeld voor wat het team een ‘Airborne Sounding Radar for Desert Subsurface Exploration of Desert’ noemt. Aquifers", bijgenaamd "Woestijn-ZEE."
De nieuwe techniek zal de bovenkant van de watervoerende laag, de grondwaterspiegel genoemd, in kaart brengen met gebieden zo groot als honderden kilometers met behulp van een radar gemonteerd op een vliegtuig op grote hoogte. Volgens de onderzoekers zal Desert-SEA voor het eerst de variabiliteit in de diepte van de grondwaterspiegel op grote schaal meten, waardoor waterwetenschappers de duurzaamheid van deze watervoerende lagen kunnen beoordelen zonder de beperkingen die gepaard gaan met in-situ kartering in water. ruwe en ontoegankelijke omgevingen.
"Begrijpen hoe ondiep grondwater zich horizontaal en verticaal beweegt is ons voornaamste doel, omdat het ons helpt verschillende vragen te beantwoorden over de oorsprong en evolutie ervan in de uitgestrekte en ruige woestijnen. Dit zijn vragen die tot op de dag van vandaag onbeantwoord blijven", zegt Heggy, wetenschappelijk onderzoeker bij USC, gespecialiseerd in radar-teledetectie van woestijnen en hoofdauteur van het artikel waarin de technologie wordt beschreven in het IEEE Geoscience and Remote Sensing Magazine .
Hoe het werkt
De techniek maakt gebruik van laagfrequente radar om de grond te onderzoeken. De radar stuurt een reeks gepulseerde golven de grond in, die worden gereflecteerd bij interactie met de met water verzadigde laag. Op basis van het gereflecteerde signaal en met behulp van een reeks geavanceerde antennes in combinatie met computertechnieken kan de grondwaterspiegel in kaart worden gebracht met een relatief hoge verticale en ruimtelijke resolutie.
Wanneer het in beeld wordt gebracht, ziet een stabiele grondwaterspiegel er gewoonlijk uit als een platte reflector, omdat de hoeveelheden water die worden onttrokken en de hoeveelheid water die het systeem binnenkomt (het "opladen") vrijwel gelijk zijn. Als er echter enige onbalans is, wordt dit weerspiegeld in het resulterende beeld dat een opwaartse of neerwaartse afbuiging in de vorm van de grondwaterspiegel laat zien.
Een soortgelijke techniek wordt veel gebruikt voor het onderzoeken van ijs in de Antarctische en planetaire lichamen; Voor de aanpassing ervan aan de detectie van ondiepe aquifers in de woestijnen moesten echter verschillende uitdagingen in het radarontwerp worden opgelost, waarvoor drie jaar hard werken met industriepartners in Carlsbad, CA nodig was om dit probleem op te lossen.
"In het bijzonder moesten we de blinde zone nabij het oppervlak oplossen. De sterk radardempende grond, niet-gekwantificeerde geluidsbronnen en complexe rommel kunnen de detectie van ondiepe watervoerende lagen maskeren. De sondeer- en landmeetcapaciteiten van ons systeem overtreffen die van commerciële grondpenetrerende radars, zowel aan de oppervlakte als op drones. Ons systeem zendt sterkere signalen uit, heeft gevoeligere ontvangers en werkt sneller in verschillende ordes van grootte", zegt Heggy.
De huidige ondiepe grondwaterkaarten in verschillende delen van dorre woestijnen, zoals de Sahara, zijn gebaseerd op gegevens van bronnen die tientallen, honderden en soms zelfs duizenden kilometers uit elkaar liggen, wat zou kunnen leiden tot onnauwkeurige schattingen van hun volume en dynamiek.
Heggy suggereert dat dit hetzelfde zou zijn als het vinden van gegevens over grondwater in de hele Verenigde Staten, uitsluitend door te kijken naar gegevens van een put in New Jersey. (Het woestijngebied van Noord-Afrika en het Arabische schiereiland is twee keer zo groot als de continentale Verenigde Staten). Logboeken alleen kunnen dus geen goede beoordeling geven van hun snelle evolutie, waarschuwt Heggy.
Volgens de onderzoekers kan het vermogen van Desert-SEA om krachtige signalen uit te zenden en geavanceerde verwerking aan boord te gebruiken, de gaten opvullen in de gegevens die worden gepresenteerd door de geografische spreiding van boorputlogboeken.
Met dit nieuwe prototype voorspelt Heggy dat zelfs met een klein vliegtuig dat met een snelheid van driehonderd kilometer per uur vliegt, het team in een uur zou kunnen afleggen wat onderzoekers normaal gesproken in een jaar zouden kunnen afleggen op basis van putloggegevens.
Co-auteur Bill Brown was de hoofdingenieur van het project. Brown zegt:"De Desert Sea Radar vertegenwoordigt een aanzienlijke vooruitgang op het gebied van detectie vanuit de lucht en milieutechniek. Door hoogfrequente radar te integreren met AI-technologieën kan het realtime, driedimensionale kaarten van ondergrondse waterbronnen genereren. Deze mogelijkheid is cruciaal voor het veiligstellen van duurzaam waterbeheer in droge gebieden."
Hoewel deze technologie in het Midden-Oosten zal worden getest, wordt deze op grote schaal toegepast op andere plaatsen die onderhevig zijn aan langdurige droogtes, met name in Centraal-Azië en Australië, en zelfs in de Amerikaanse woestijnen.
Deze technologie werkt het beste in zeer droge gebieden zoals zand en het bijzondere belang ervan gaat verder dan het begrijpen van de huidige watervoorziening. Het kan ook worden ingezet voor herhaalde beoordelingen om de duurzaamheid van de landbouw te begrijpen en daarmee de voedselzekerheid voor inwoners van deze extreme omgevingen te garanderen.
“Het vermogen om meer dan 30 meter diep door droog zand, door uitgestrekte woestijnen en in recordtijd te kijken, zal ons in staat stellen fundamentele vragen te beantwoorden over de eb en vloed van grondwater in deze regio’s en hoe we dit kunnen gebruiken in een duurzamere manier”, zegt Elizabeth Palmer, een Fulbright Fellow die aan het project werkt.
"Ik ben altijd blij om deel te nemen aan onderzoeksmissies vanuit de lucht. Omdat de Desert-SEA-missie echter een humanitaire impact zal hebben op het verlichten van waterstress, geeft het mij unieke gevoelens van motivatie en trots", zegt Akram Amin Abdellatif, onderzoeker bij het Technical Institute. Universiteit van München (TUM) merkte op.
De volgende stap voor het onderzoeksteam is om met dit ontworpen prototype een vluchtmodel te bouwen dat kan worden geïmplementeerd in helikopters en vliegtuigen met vaste vleugels.