Forscher nutzen Verkehrserschütterungen, um die Bodenfeuchtigkeit im Untergrund zu messen

Caltech-Forscher haben eine neue Methode zur Messung der Bodenfeuchtigkeit im flachen Untergrundbereich zwischen Oberflächen- und Untergrundgrundwasserleitern entwickelt. Diese als Vadose-Zone bezeichnete Region ist für Pflanzen und Nutzpflanzen von entscheidender Bedeutung, um über ihre Wurzeln Wasser zu erhalten.

Die Messung von Schwankungen dieser unterirdischen Feuchtigkeit im Laufe der Zeit und zwischen geografischen Regionen stützt sich jedoch traditionell auf Satellitenbilder, die nur Mittelwerte mit niedriger Auflösung liefern und nicht unter die Oberfläche vordringen können. Darüber hinaus ändert sich die Luftfeuchtigkeit in der Vadose-Zone schnell: Ein Sturm kann eine Region übersättigen, die einige Tage später austrocknet.

Die neue Methode basiert auf seismischer Technologie, die normalerweise Bodenerschütterungen bei Erdbeben misst. Es kann jedoch auch Vibrationen erkennen, die durch menschliche Aktivitäten, beispielsweise durch den Verkehr, verursacht werden. Wenn diese Schwingungen den Boden durchdringen, werden sie durch die Anwesenheit von Wasser verlangsamt: Je mehr Feuchtigkeit vorhanden ist, desto langsamer bewegen sich die Schwingungen. Die neue Studie misst den Wassergehalt in der Vadose-Zone anhand seismischer Geräusche aus dem täglichen Verkehr.

Diese Forschung ist eine Zusammenarbeit zwischen den Labors des Hydrologen Xiaojing (Ruby) Fu, Assistenzprofessor für Maschinenbau und Bauingenieurwesen, und des Seismologen Zhongwen Zhan, Professor für Geophysik. In der Zeitschrift erschien ein Artikel, der diese Arbeit beschreibt Naturkommunikation am 5. August.

Die neue Methode basiert auf einer vom Zhan-Labor entwickelten Technik namens Distributed Acoustic Sensing (DAS). Bei dieser Technik werden Laser auf ungenutzte unterirdische Glasfaserkabel (z. B. solche, die das Internet bereitstellen) gerichtet.

Wenn eine seismische Welle oder eine andere Art von Vibration das Kabel durchdringt, wird das Laserlicht gebogen und gebrochen. Die Messung der Wellen dieses Laserlichts liefert Forschern Informationen über die vorbeiziehende Welle, sodass das 10 Kilometer lange Kabel einer Reihe von Tausenden herkömmlicher seismischer Sensoren entspricht.

Nach dem Erdbeben der Stärke 7,2 im Jahr 2019 in Ridgecrest, Kalifornien, installierte Zhan ein DAS-Array auf einem nahegelegenen Kabel, um Nachbeben zu messen. In Zusammenarbeit mit Fu erkannte das Team schnell, dass das Netzwerk auch zur Messung der täglichen Veränderung der Untergrundschwingungen als Funktion des Bodenwassergehalts genutzt werden könnte.

Fünf Jahre lang sammelte das Team Daten und erstellte Modelle, um zu veranschaulichen, wie sich die Luftfeuchtigkeit in der Vadose-Zone im Laufe der Zeit verändert. Sie fanden heraus, dass während der historischen Dürre in Kalifornien von 2019 bis 2022 die Feuchtigkeit in der Vadose-Zone deutlich um 0,25 Meter pro Jahr abnahm und damit über dem Niederschlagsdurchschnitt lag.

„Von den obersten 20 Metern Boden in der Ridgecrest-Region können wir auf die gesamte Mojave-Wüste extrapolieren“, sagt Yan Yang, ein Doktorand der Geophysik und Co-Erstautor der Studie.

„Wir schätzen, dass die Mojave-Vadose-Zone jedes Jahr eine Wassermenge verliert, die der des Hoover-Staudamms entspricht. Während der Dürrejahre 2019 bis 2022 wurde die Vadose-Zone zunehmend trockener. »

Die Möglichkeit, die Luftfeuchtigkeit in der Vadose-Zone in Echtzeit zu messen, ist für die Steuerung des Wasserverbrauchs und der Erhaltungsbemühungen von entscheidender Bedeutung. Anschließend beabsichtigt das Team, die Technologie auch in anderen Regionen als der Wüste einzusetzen.

„Wir wissen, dass diese Methode für diesen speziellen Standort sehr gut funktioniert“, sagt Fu. „Viele andere interessante Regionen mit dem gleichen Klima könnten andere hydrologische Prozesse haben, wie zum Beispiel Zentralkalifornien, wo Bauernhöfe Wasser entziehen, die Region aber auch Schneeschmelzwasser aus den Bergen der Sierra Nevada erhält.“ »

Noch nie wurden seismologische Instrumente eingesetzt, um die Bodenfeuchtigkeit in so großem Maßstab und über einen so langen, kontinuierlichen Zeitraum zu messen.