Med hjälp av ett aldrig tidigare skådat antal satellitradarbilder, geofysiker vid Caltech har spårat hur marken i södra Kalifornien stiger och faller när grundvatten pumpas in och ut ur akviferer under ytan.

Deras resultat presenteras i en studie som spårar deformation av jordens yta under en 18-årsperiod. Arbetet kan användas av vattenförvaltningsdistrikt för att bedöma den exakta formen och storleken på akviferer och effekten av regionens vattenanvändning på dessa akviferer. Arbetet avslöjar också vad som kan vara ett tidigare omartat fel som löper över nordöstra Orange County.

"Det vi ser genom att markytan stiger och faller är det elastiska svaret från marken på regelbundna förändringar i grundvattennivån, " säger huvudförfattaren Bryan Riel (MS '14, Ph.D. '17), som var doktorand i labbet hos Caltechs Mark Simons vid tiden för forskningen, och är nu signalanalysingenjör på JPL, som hanteras av Caltech för NASA. "Eftersom vi har data över en lång tidsperiod, vi kunde också isolera långsiktiga ytdeformationssignaler, inklusive sättningar av marken som verkar orsakas av packning av lerlager som svar på bakgrundsvariationer i grundvattenavdrag." Riel och Simons kunde också se skarpa drag där vattnet inte flödade, som kan indikera gränser för akviferer såväl som förkastningar.

Studien, som publicerades online den 30 april av tidskriften Vattenresursforskning , använder allmänt tillgängliga radardata som fångats mellan 1992 och 2011 av Europeiska rymdorganisationens satelliter. Satellitdatan sammanställdes till 881 radarinterferogram – bilder skapade genom att radarsignaler studsade bort från jordens yta – för att spåra nästan vertikala markrörelser ner till millimetern med en horisontell upplösning på tiotals meter, över ett område som sträcker sig från San Fernando, nordväst om centrala Los Angeles, ner till Irvine, i Orange County.

När alla bilder är sammanfogade, de visar att marken under södra Kalifornien stiger och faller årligen, som en jätte som andas in och ut. Resultaten kontrollerades mot GPS-mätningar som tagits av Orange County Water District (OCWD) och Water Replenishment District of Southern California, vilket bekräftade fynden. Den periodiska stigande och fallande marken berättar historien om förvaltningen av södra Kaliforniens akviferer och hur den förvaltningen har förändrats över tiden, säger Simons, John W. och Herberta M. Miles professor i geofysik vid Caltech och chefsforskare vid JPL.

"I början av studieperioden, vi ser stora sinusoider – högre toppar och lägre dalar. Mot den senare hälften av studien, som plattar ut lite, vilket tyder på att vattenkontrolldistrikten mer aktivt hanterade akviferer, och se till att lägga tillbaka vatten i dem istället för att bara ta ut det, säger Simons.

Roy Herndon, chefshydrogeolog för OCWD, säger att hans team arbetar för att se till att marken aldrig sjunker för långt – en utveckling som den kanske aldrig kommer att återhämta sig från.

"Vi misstänker att geologin i vår bassäng kan tillåta sättningar att inträffa om vi låter för mycket grundvatten pumpas ut men aldrig fyller på det igen. Vi har leror och silt som kan komprimera och kompaktera med tiden, " säger Herndon.

Den strategin är kodifierad i lagen om hållbar grundvattenhantering (SGMA), undertecknades i lag av Kaliforniens guvernör Jerry Brown 2014, som föreskriver att grundvattenförvaltare behöver undvika permanent sänkning av marknivån. Fenomenet har plågat San Joaquin Valley i centrala Kalifornien i generationer. Jordpackning som drivs av en krympande grundvattennivå har fått marken i området att sjunka med så mycket som 28 fot, enligt United States Geological Survey (USGS). Herndon säger att studien av Riel, Simons, och medförfattare – och andra liknande undersökningar – kommer att hjälpa vattendistrikt att se till att deras vattenförvaltningsstrategier är effektiva för att undvika sådan jordpackning i Kalifornien.

Medan markens uppgång och fall var att vänta, radardata visade också några oväntade egenskaper, Simons säger, inklusive en skarp gräns vid kanten av en akvifär, vilket skulle kunna indikera ett nedgrävt förkastning längs den östra kanten av en bassäng där Santa Ana-floden passerar genom området Santa Ana/Garden Grove. Dessutom, kartan avslöjade ett litet område med onormalt stor markhöjning som visade sig vara orsakad av petroleumverksamhet som pumpade ut olja och vatten in.

Riel, Simons, och medförfattare förlitade sig på data från ESA-satelliter. Under tiden, JPL, NASA, och den indiska rymdforskningsorganisationen (ISRO) planerar att skjuta upp en ny radarsatellit kallad NISAR i början av 2022 som kommer att ge observationer från två håll var 12:e dag – vilket ger högre kvalitet, data med högre upplösning än tidigare.

"Med den typen av data, vi kommer att kunna måla upp en ännu tydligare bild som kan avslöja ännu mer om marken under våra fötter, säger Simons.

Studien har titeln "Quantifying Ground Deformation in the Los Angeles and Santa Ana Coastal Bassins Due to Groundwater Drawing."