Исследователи Калифорнийского технологического института разработали новый метод измерения влажности почвы в неглубокой подземной области между поверхностным и подземным водоносными горизонтами. Этот регион, называемый зоной вадозе, имеет решающее значение для получения растениями воды через корни.
Однако измерение того, как эта подземная влажность колеблется с течением времени и между географическими регионами, традиционно основывалось на спутниковых снимках, которые дают только средние значения с низким разрешением и не могут проникнуть под поверхность. Кроме того, влажность в зоне вадозе быстро меняется — гроза может насытить регион, который высыхает несколькими днями позже.
Новый метод основан на сейсмической технологии, которая обычно измеряет сотрясение грунта во время землетрясений. Однако он также может обнаруживать вибрации от человеческой деятельности, например, от дорожного движения. Когда эти вибрации проходят через землю, присутствие воды замедляет их распространение — чем больше влаги, тем медленнее распространяется вибрация. Новое исследование измеряет содержание воды в зоне вадозе с помощью сейсмических колебаний от повседневного движения.
Исследование является результатом сотрудничества лабораторий гидролога Сяоцзин (Руби) Фу, доцента кафедры механики и гражданского строительства; и сейсмолога Чжунвэнь Чжана, профессора геофизики. Статья с описанием работы появляется в журнале Nature Communications 5 августа.
Новый метод основан на методе, впервые разработанном в лаборатории Zhan, который называется распределенным акустическим зондированием (DAS). С помощью этого метода лазеры направляются на неиспользуемые подземные волоконно-оптические кабели (подобные тем, которые обеспечивают доступ в Интернет).
Когда сейсмическая волна или любой другой вид вибрации проходит через кабель, лазерный луч изгибается и преломляется. Измерение колебаний в этом лазерном луче дает исследователям информацию о проходящей волне, что делает 10-километровый кабель эквивалентным линии из тысяч обычных сейсмических датчиков.
После землетрясения магнитудой 7,2, произошедшего в 2019 году в Риджкресте, Калифорния, компания Zhan установила на близлежащем кабеле систему DAS для измерения повторных толчков. В сотрудничестве с Fu команда быстро поняла, что массив можно также использовать для измерения того, как изменяются ежедневные подземные вибрации в зависимости от содержания влаги в почве.
В течение пяти лет команда собирала данные и создавала модели, иллюстрирующие, как меняется влажность в зоне вадозе с течением времени. Они обнаружили, что во время исторической засухи в Калифорнии с 2019 по 2022 год влажность в зоне вадозе значительно снижалась со скоростью 0,25 метра в год, что превышало среднее количество осадков.
"С верхних 20 метров почвы в районе Риджкрест мы можем экстраполировать данные на всю пустыню Мохаве", - говорит Ян Янг, аспирант-геофизик и соавтор исследования.
"По нашим приблизительным оценкам, каждый год зона Мохаве-вадозе теряет количество воды, эквивалентное объему плотины Гувера. В засушливые годы с 2019 по 2022 год зона вадозе становилась все суше."
Возможность измерения влажности в зоне vadose в режиме реального времени имеет решающее значение для управления водопользованием и природоохранными мероприятиями. Затем команда намерена внедрить технологию в регионах, отличных от пустыни.
"Мы знаем, что этот метод действительно хорошо работает для данного конкретного участка", - говорит Фу. "Во многих других интересных регионах с таким же климатом гидрологические процессы могут отличаться, например, в центральной Калифорнии, где в результате сельскохозяйственных работ забирается вода, но в регион также поступает снеготаяние с гор Сьерра-Невада".
Сейсмологические приборы никогда не использовались для измерения влажности почвы в таких больших масштабах в течение такого длительного и непрерывного промежутка времени.