Luftgestützte Technologie bringt neue Hoffnung für die Kartierung flacher Grundwasserleiter in den trockensten Wüsten der Erde

Wasserknappheit breitet sich auf der ganzen Erde aus. Besonders ernst ist die Situation in den Wüstengebieten des Nahen Ostens, die sowohl Dürre als auch extremen Bedingungen wie Überschwemmungen ausgesetzt sind. Aufgrund dieser Unsicherheiten wird zunehmend auf oberflächennahe Grundwasserleiter zurückgegriffen, um diesen Engpässen entgegenzuwirken. Die Eigenschaften dieser Grundwasserleiter sind jedoch noch immer kaum verstanden, da ihre Bewirtschaftung auf sporadische Bohrlochmessungen angewiesen ist.

Um dieser Herausforderung zu begegnen, entwickelte ein Forscherteam der USC Viterbi School of Engineering, Ming Hsieh Department of Electrical and Computer Engineering, zusammen mit Mitarbeitern aus der ganzen Welt einen neuen Prototyp für das, was das Team es als „luftgestütztes Vermessungsradar“ bezeichnet Erkundung der unterirdischen Wüste.“ Grundwasserleiter“, auch „Wüstenmeer“ genannt.

Die neue Technik wird die Oberseite des Grundwasserleiters, den sogenannten Grundwasserspiegel, kartieren und dabei Gebiete von bis zu Hunderten von Kilometern abdecken, und zwar mithilfe eines an einem Höhenflugzeug montierten Radars. Den Forschern zufolge wird Desert-SEA zum ersten Mal die Schwankungen der Wasserspiegeltiefe in großem Maßstab messen und es Wasserwissenschaftlern ermöglichen, die Nachhaltigkeit dieser Grundwasserleiter ohne die Einschränkungen zu beurteilen, die mit einer detaillierten Kartierung an schwer zugänglichen Standorten einhergehen Umgebungen.

„Zu verstehen, wie sich flaches Grundwasser horizontal und vertikal bewegt, ist unser Hauptziel, denn es hilft uns, mehrere Fragen zu ihrem Ursprung und ihrer Entwicklung in riesigen, rauen Wüsten zu beantworten. Dies sind Fragen, die derzeit unbeantwortet bleiben“, sagt Heggy, ein Forscher Wissenschaftler am USC, der sich auf Radarfernerkundung von Wüsten spezialisiert hat und Hauptautor des Artikels, der die Technologie in der Wüste beschreibt IEEE Geoscience and Remote Sensing Magazine.

Wie es funktioniert

Die Technik nutzt Niederfrequenzradar zur Sondierung des Bodens. Das Radar sendet eine Reihe gepulster Wellen in den Boden, die reflektiert werden, wenn sie mit der wassergesättigten Schicht interagieren. Aus dem reflektierten Signal und unter Verwendung eines fortschrittlichen Antennenarrays in Kombination mit Rechentechniken kann der Grundwasserspiegel mit relativ hoher vertikaler und räumlicher Auflösung kartiert werden.

Bei der Abbildung erscheint ein stabiler Grundwasserspiegel im Allgemeinen als flacher Reflektor, da die entnommenen Wassermengen und die in das System eintretenden Wassermengen (seine „Neuaufladung“) nahezu gleich sind. Liegt jedoch ein Ungleichgewicht vor, spiegelt sich dies im resultierenden Bild wider, das eine Abweichung der Form des Grundwasserspiegels nach oben oder unten zeigt.

Eine ähnliche Technik wird häufig zur Untersuchung von Eis in der Antarktis und auf Planetenkörpern eingesetzt. Die Anpassung an die Erkennung flacher Grundwasserleiter in Wüsten erforderte jedoch die Lösung mehrerer Herausforderungen bei der Radarkonstruktion, was drei Jahre harter Arbeit mit Industriepartnern in Carlsbad, Kalifornien, erforderte.

„Insbesondere mussten wir die oberflächennahe Blindzone auflösen. Der stark Radar schwächende Boden, nicht quantifizierte Lärmquellen und komplexe Störungen können die Erkennung flacher Grundwasserleiter verdecken. Die Vermessungs- und Vermessungsfähigkeiten unseres Systems übertreffen die der kommerziellen Systeme.“ „Bodendurchdringende Radarsysteme, ob oberflächenmontiert oder auf Drohnen montiert, unser System sendet stärkere Signale, verfügt über empfindlichere Empfänger und arbeitet um Größenordnungen schneller“, sagt Heggy.

Aktuelle Karten des flachen Grundwassers in vielen trockenen Wüstenregionen wie der Sahara stützen sich auf Daten von Brunnen, die mehrere Dutzend, Hunderte oder manchmal sogar Tausende Kilometer voneinander entfernt liegen, was zu ungenauen Schätzungen ihres Volumens und ihrer Dynamik führen könnte.

Heggy schlägt vor, dass dies so wäre, als würde man Grundwasserdaten für die gesamten Vereinigten Staaten erhalten, indem man sich nur die Daten einer einzigen Quelle in New Jersey ansieht. (Das Wüstengebiet Nordafrikas und der Arabischen Halbinsel ist doppelt so groß wie das Festland der Vereinigten Staaten). Daher können Protokolle allein keine korrekte Einschätzung ihrer schnellen Entwicklung liefern, warnt Heggy.

Laut den Forschern kann Desert-SEAs Fähigkeit, Hochleistungssignale zu übertragen und fortschrittliche Onboard-Verarbeitung zu nutzen, Datenlücken schließen, die durch die geografische Verteilung von Bohrprotokollen entstehen.

Mit diesem neuen Prototyp prognostiziert Heggy, dass das Team selbst mit einem kleinen Flugzeug, das mit 200 Meilen pro Stunde fliegt, in einer Stunde das zurücklegen könnte, was Forscher basierend auf Daten aus Bohrlochaufzeichnungen normalerweise in einem Jahr zurücklegen würden.

Co-Autor Bill Brown war der leitende Ingenieur des Projekts. Brown sagt: „Desert Sea Radar stellt einen bedeutenden Fortschritt in der luftgestützten Ortung und Umwelttechnik dar. Durch die Integration von Hochfrequenzradar mit KI-Technologien können dreidimensionale Karten von unterirdischen Wasserquellen in Echtzeit erstellt werden. Diese Kapazität ist von entscheidender Bedeutung, um eine nachhaltige Wasserbewirtschaftung in Trockengebieten sicherzustellen.

Obwohl diese Technologie im Nahen Osten getestet wird, gibt es viele Anwendungen in anderen Regionen, die anfällig für anhaltende Dürren sind, darunter Zentralasien und Australien, und sogar in den amerikanischen Wüsten.

Diese Technologie funktioniert am besten in sehr trockenen Gebieten wie Sand und ihre besondere Bedeutung geht über das Verständnis der aktuellen Wasserversorgung hinaus. Es kann auch für wiederholte Bewertungen eingesetzt werden, um die Nachhaltigkeit der Landwirtschaft zu verstehen und so die Ernährungssicherheit für Menschen in diesen extremen Umgebungen zu gewährleisten.

„Die Fähigkeit, mehr als 100 Fuß tief durch trockenen Sand und weite Wüsten zu blicken, und das in Rekordzeit, wird es uns ermöglichen, grundlegende Fragen über die Ebbe und Flut des Grundwassers in diesen Regionen zu beantworten und wie wir sie effektiv nutzen können.“ nachhaltigerer Weg“, sagte Elizabeth Palmer, eine Fulbright-Stipendiatin, die an dem Projekt arbeitet.

„Ich freue mich immer, an luftgestützten Forschungsmissionen teilzunehmen. Da die Desert-SEA-Mission jedoch einen humanitären Einfluss auf die Reduzierung des Wasserstresses haben wird, erfüllt sie mich mit einem einzigartigen Gefühl der Motivation und des Stolzes“, sagte Akram Amin Abdellatif, Forscher am Technisches Institut. Dies hat die Universität München (TUM) zur Kenntnis genommen.

Der nächste Schritt für das Forschungsteam besteht darin, aus diesem entworfenen Prototyp ein Flugmodell zu bauen, das in Hubschraubern und Starrflüglern implementiert wird.