Kaliforniens Central Valley, med de karga kullarna i Coast Ranges. Kredit:Wikimedia Commons
Tillgången på vatten från underjordiska akviferer är avgörande för de grundläggande behoven hos mer än 1,5 miljarder människor världen över.
Under de senaste decennierna, dock, överpumpning av grundvatten, i kombination med torka, har gjort att vissa akviferer permanent förlorat sin väsentliga lagringskapacitet.
Med hopp om att ge bättre verktyg till vattenresursförvaltare för att hålla akviferer friska, forskare finansierade av National Science Foundation (NSF) och anslutna till Arizona State University (ASU) och Jet Propulsion Laboratory (JPL) använder den senaste rymdteknologin för att mäta denna värdefulla naturresurs.
"Torkaperioder har långsiktiga effekter på grundvattenförsörjningen och skapar stora utmaningar för grundvattenhanteringen, "säger Maggie Benoit, en programdirektör vid NSF:s avdelning för geovetenskaper, som finansierade forskningen. "Nu, forskare utvecklar nya metoder för att övervaka grundvattennivåer med hjälp av satellitbaserade mätningar av jordens yta, ger en mer övergripande bild av hälsan i vår nations grundvattenresurser. "
Forskarna har fokuserat sina ansträngningar på ett av världens största akvifersystem, ligger i Kaliforniens Central Valley, mäter både dess grundvattenvolym och dess lagringskapacitet. Resultaten av deras fynd publiceras i tidskriften American Geophysical Union Vattenresursforskning .
Tittar under jorden från rymden
Kaliforniens Central Valley är ett stort jordbruksnav som täcker ett område på cirka 20, 000 kvadratkilometer. Det producerar mer än 25 procent av amerikanskt jordbruk, till ett uppskattat värde av 17 miljarder dollar per år.
Karta som visar Kaliforniens Central Valley, som går genom en stor del av staten. Kredit:Wikimedia Commons
Central Valley akvifersystemet ger vatten till människor och våtmarker, tillgodose cirka 20 procent av USA:s totala efterfrågan på grundvatten. På grund av torka och ökningen av den mänskliga befolkningen betjänar denna akvifär, det är rankat som ett av de mest stressade i världen.
Medan tidigare studier om vattenresurser och torka huvudsakligen har fokuserat på lågupplösta eller lokala mätningar av grundvattendynamik, forskargruppen för denna studie, som inkluderar ASU-forskare Chandrakanta Ojha, Manoochehr Shirzaei och Susanna Werth, och Donald Argus och Thomas Farr från JPL, tog en mer högteknologisk väg.
De använde datainsamlingsfunktionerna i flera satellitbaserade jordfjärranalystekniker för att få en mer konsekvent och högre upplösningsvy av Central Valley akvifärsystemet.
"Ironiskt, säger Werth, "vi var tvungna att gå flera hundra mil ut i rymden för att se vad som hände under ytan av vår planet."
Genom att använda dessa högteknologiska, fjärranalystekniker, teamet analyserade data från torkan 2007 till 2010 och kartlade hela California Central Valley.
"Det är fantastiskt när vi kan använda vår högteknologiska, Satelliter som kretsar runt jorden för att hjälpa till att lösa verkliga problem här i Kalifornien, ", tillägger Farr.
Sacramento River och dess vattendelare är en del av Central Valley. Kredit:Wikimedia Commons
En indikator för akvifärer runt om i världen
Teamet mätte landsättningen (när land över och runt en akvifär skiftar nedåt) med hjälp av rymdburen Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR) och lade det till data om grundvattennivåer som provades vid tusentals brunnar över Central Valley.
Forskarna använde sedan data från NASA:s tvillingsatellituppdrag, Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE), att uppskatta grundvattenförlusten.
"Det är denna kombination av bokstavligen terabyte av data som hjälpte oss att få den bästa bilden av vad som händer under ytan, " säger huvudförfattaren Ojha.
Teamet fann att mellan 2007 och 2010, det var en betydande nedgång i marknivån i det södra området av Central Valley - nästan 32 tum, en minskning som normalt bör ta decennier.
"Överdriven grundvatten i vissa delar av Central Valley har permanent förändrat lerlager, orsakar snabb marksänkning som kan mätas av radarsatelliter från rymden, säger Shirzaei.
Det mest häpnadsväckande resultatet, dock, är den permanenta förlusten av vattenlagringskapacitet i akvifersystemet. Under torkan 2007 till 2010, upp till 2 procent av lagringskapaciteten gick helt förlorad när vattennivån sjönk och lerskikten i systemet var permanent komprimerade.
Central Valley, sedd från rymden. Kredit:NASA
"Denna lagringskapaciteten kan inte återvinnas genom naturlig uppladdning, "säger Ojha." Det betyder att under den våta säsongen, när Central Valley regnar, det finns inte tillräckligt med utrymme för att lagra vattnet, göra grundvattenförsörjningen mer knapp under framtida torka."
Nya satelliter för att mäta effekterna av torka
Nästa steg för teamet blir att fokusera på torkan i Kalifornien från 2012 till 2016, en period som var mer skadlig för Central Valley akvifer än torkan 2007–2010.
Forskarna planerar att integrera radarmätningar med ytterligare data från de nyuppskjutna GRACE Follow-On (FO) satelliterna.
GRACE FO-uppdraget, som lanserades den 22 maj i år, består av två nästan identiska satelliter som följer varandra längs samma bana. Satelliterna mäter kontinuerligt avståndet mellan dem, som förändras beroende på gravitationsfältet som de kretsar över.
Eftersom oscillationer av grundvatten förändrar gravitationsfältet, forskare kan använda data för att kartlägga underjordiska vattenläge och volymförändringar.
Arbetet kommer inte att sluta där. Teamet hoppas kunna utöka forskningen till Arizona och andra områden i den torra sydväst.
"Hela regionen är drabbad av en långvarig torka, "säger Werth, "med skillnader i svårighetsgrad, klimatförhållanden, grundvattengeologi och vattenhanteringsmetoder.
"Vår förhoppning är att denna forskning kommer att göra det möjligt för beslutsfattare att korrekt hantera vattenresurser och planera för framtida vattentilldelningar. Vattenförvaltare behöver veta om de oåterkalleliga processer som äger rum och hur man kan förhindra framtida kriser."
