Vattenbristen ökar över hela jorden. Detta är särskilt akut i ökenområden i Mellanöstern som är utsatta för både torka och extrema förhållanden som översvämningar. Som ett resultat av dessa osäkerheter finns det ett ökande beroende av grunda akviferer för att mildra dessa brister. Egenskaperna hos dessa akviferer är dock fortfarande dåligt förstådda på grund av beroendet av sporadiska brunnsloggar för deras hantering.
För att möta denna utmaning utvecklade ett team av forskare vid USC Viterbi School of Engineering Ming Hsieh Department of Electrical and Computer Engineering tillsammans med medarbetare över hela världen en ny prototyp för vad teamet kallar en "Airborne Sounding Radar for Desert Subsurface Exploration of Desert Subsurface Exploration of Akviferer", med smeknamnet "Öken-HAV."
Den nya tekniken kommer att kartlägga toppen av akvifären, kallad vattenytan, som spänner över områden så stora som hundratals kilometer med hjälp av en radar monterad på ett flygplan på hög höjd. Enligt forskarna kommer Desert-SEA för första gången att mäta variationerna i grundvattenytans djup i stor skala, vilket gör det möjligt för vattenforskare att bedöma hållbarheten hos dessa akviferer utan de begränsningar som är förknippade med in-situ kartläggning i tuffa och otillgängliga miljöer.
"Att förstå hur grunt grundvatten rör sig horisontellt och vertikalt är vårt primära mål eftersom det hjälper oss att svara på flera frågor om dess ursprung och utveckling i de stora och hårda öknarna. Det här är frågor som förblir obesvarade än i dag", säger Heggy, forskare vid USC som är specialiserad på radarfjärranalys av öknar och huvudförfattaren till tidningen som beskriver tekniken i IEEE Geoscience and Remote Sensing Magazine .
Tekniken använder lågfrekvent radar för att sondera marken. Radarn skickar en serie pulserande vågor ner i marken, som reflekteras när de interagerar med det vattenmättade lagret. Från den reflekterade signalen, och med hjälp av en rad avancerade antenner kombinerat med beräkningstekniker, kan vattenytan kartläggas med relativt hög vertikal och rumslig upplösning.
När det avbildas framträder ett stabilt grundvattenbord vanligtvis som en platt reflektor eftersom mängden vatten som tas ut och mängden vatten som kommer in i systemet (dess "uppladdning") är nästan lika. Men om det finns någon obalans kommer detta att återspeglas i den resulterande bilden som visar en uppåt- eller nedåtböjning i form av grundvattenytan.
En liknande teknik används ofta för att sondera is i Antarktis och planetariska kroppar; Men att anpassa den för att känna av grunda akviferer i öknarna krävde att lösa flera utmaningar i radardesignen som tog tre års hårt arbete med industripartners i Carlsbad, Kalifornien, för att lösa det.
"Särskilt var vi tvungna att lösa den blinda zonen nära ytan. Den mycket radardämpande marken, okvantifierade bullerkällorna och komplexa röran kan maskera upptäckten av grunda akviferer. Vårt systems sonderings- och undersökningsförmåga överträffar de för kommersiell markpenetrering. radarer, oavsett om de är monterade på ytan eller på drönare Vårt system sänder starkare signaler, har känsligare mottagare och fungerar snabbare med flera storleksordningar, säger Heggy.
Aktuella grundvattenkartor i flera delar av torra öknar, såsom Sahara, förlitar sig på data från brunnar som är tiotals, hundratals och ibland till och med tusentals mil från varandra, vilket kan leda till felaktiga uppskattningar av deras volym och dynamik.
Heggy föreslår att detta skulle vara som att ta reda på data om grundvatten i hela USA enbart genom att titta på data från en brunn i New Jersey. (Ökenområdet i Nordafrika och den arabiska halvön är dubbelt så stort som det kontinentala USA). Enbart brunnsloggar kan alltså inte ge en korrekt bedömning av deras snabba utveckling, varnar Heggy.
Enligt forskarna kan Desert-SEA:s förmåga att sända signaler med hög effekt och använda avancerad bearbetning ombord fylla luckorna i data som presenteras av brunnloggarnas geografiska spridning.
Med denna nya prototyp förutspår Heggy att även med ett litet flygplan som flyger i tvåhundra miles per timme, kan teamet på en timme täcka vad forskare normalt skulle täcka på ett år från brunnsloggdata.
Medförfattaren Bill Brown var huvudingenjören i projektet. Brown säger, "Desert Sea Radar representerar ett betydande framsteg inom luftburen avkänning och miljöteknik. Genom att integrera högfrekvent radar med AI-teknik kan den generera tredimensionella kartläggningar i realtid av underjordiska vattenkällor. Denna förmåga är avgörande för säkra hållbar vattenförvaltning i torra områden."
Även om denna teknik kommer att testas i Mellanöstern, har den bred tillämpning på andra platser som är föremål för utdragen torka, särskilt i Centralasien och Australien, och till och med i USA:s öknar.
Denna teknik fungerar bäst i mycket torra områden som sand och dess speciella betydelse går utöver att förstå den nuvarande vattenförsörjningen. Den kan också användas för upprepade utvärderingar för att förstå hållbarhet för jordbruket och följaktligen för att säkerställa livsmedelssäkerhet för invånarna i dessa extrema miljöer.
"Att ha förmågan att titta mer än 100 fot djupt genom torr sand, över stora öknar och på rekordtid, kommer att tillåta oss att svara på grundläggande frågor om ebb och flöde av grundvatten i dessa regioner och hur vi kan använda det i en mer hållbart sätt", säger Elizabeth Palmer, en Fulbright Fellow som arbetar med projektet.
"Jag är alltid glad över att delta i luftburna forskningsuppdrag. Men eftersom Desert-SEA-uppdraget kommer att ha en humanitär inverkan på att lindra vattenstress, ger det mig unika känslor av motivation och stolthet," Akram Amin Abdellatif, forskare vid Technical Universitetet i München (TUM) noterade.
Nästa steg för forskargruppen är att ta denna designade prototyp och bygga en flygmodell som ska implementeras på helikoptrar och flygplan med fasta vingar.
Mer information: Essam Heggy et al, Airborne Sounding Radar for Desert Subsurface Exploration of Aquifers:Desert-SEA:Mission concept study [Space Agencies], IEEE Geoscience and Remote Sensing Magazine (2024). DOI:10.1109/MGRS.2023.3338512
Tillhandahålls av University of Southern California
