فناوری زلزله‌نگاری کلتک سطح آب زیرزمینی را با استفاده از نویز ترافیک آشکار می‌کند
محققان در کلتک یک روش نوآورانه برای سنجش رطوبت خاک در منطقه وادوز، منطقه کم‌عمق بین سطح و آکوایفرهای زیرزمینی که گیاهان و محصولات از طریق ریشه‌هایشان به آب دسترسی پیدا می‌کنند، توسعه داده‌اند.
این روش از فناوری زلزله‌نگاری که به طور معمول برای اندازه‌گیری لرزش زمین در هنگام زلزله استفاده می‌شود بهره می‌برد، اما می‌تواند ارتعاشات ناشی از فعالیت‌های انسانی مانند ترافیک را نیز تشخیص دهد.
این ارتعاشات هنگام عبور از زمین، سرعتشان به دلیل حضور آب کاهش می‌یابد؛ هرچه رطوبت بیشتر باشد، ارتعاشات کندتر حرکت می‌کنند. مطالعه جدید از ارتعاشات زلزله‌ای ناشی از ترافیک روزمره برای اندازه‌گیری محتوای آب در منطقه وادوز استفاده کرده است.
امواج زلزله‌ای نشان‌دهنده رطوبت خاک
به‌طور سنتی، اندازه‌گیری نوسانات رطوبت زیرزمینی در طول زمان و در مناطق مختلف به تصاویر ماهواره‌ای متکی بوده که تنها میانگین‌های کم‌وضوحی ارائه می‌دهند و نمی‌توانند به زیر سطح نفوذ کنند.
علاوه بر این، سطوح رطوبت در منطقه وادوز می‌تواند به سرعت تغییر کند؛ طوفان رعد و برق می‌تواند منطقه را اشباع کند که ممکن است طی چند روز دوباره خشک شود.
روش جدید، بر اساس تکنیکی که در آزمایشگاه زمین‌شناس جونگ ون جان توسعه یافته و به نام سنجش صوتی توزیع‌شده (DAS) شناخته می‌شود، راه‌حلی ارائه می‌دهد. این تکنیک شامل هدایت لیزرها به کابل‌های فیبر نوری غیر استفاده می‌شود، مشابه کابل‌های مورد استفاده برای خدمات اینترنت.
همزمان با عبور امواج زلزله‌ای یا هر ارتعاشی از کابل، نور لیزری خم شده و شکست پیدا می‌کند. با اندازه‌گیری این تغییرات در نور لیزر، محققان می‌توانند اطلاعات دقیقی از امواج عبوری بدست آورند و به‌طور موثر یک کابل ۱۰ کیلومتری را به خطی از هزاران حسگر زلزله‌ای معمولی تبدیل کنند.
مطالعه بیابان موهاوی
پس از زلزله ۷٫۲ ریشتری سال ۲۰۱۹ در ریج کرست، کالیفرنیا، جان یک آرایه DAS را بر روی یک کابل نزدیک مستقر کرد تا پس‌لرزه‌ها را اندازه‌گیری کند. همکاری با آب‌پژوه شیاوجینگ فو، تیم به این نتیجه رسید که آرایه همچنین می‌تواند تغییرات ارتعاشات زیرزمینی مرتبط با محتوای آب خاک را ردیابی کند.
طی پنج سال، آنها داده‌هایی جمع‌آوری کرده و مدل‌هایی توسعه دادند که نشان می‌داد چگونه رطوبت در منطقه وادوز در طول زمان تغییر می‌کند. در طول خشکسالی تاریخی کالیفرنیا از ۲۰۱۹ تا ۲۰۲۲، آنها کاهش قابل توجهی در رطوبت منطقه وادوز مشاهده کردند، با نرخ ۰٫۲۵ متر در سال، که از میانگین بارندگی سالانه فراتر رفته بود.
“از ۲۰ متر بالای خاک در منطقه ریج‌کرست، ما می‌توانیم به کل بیابان موهاوی تعمیم دهیم،” یان یانگ، هم‌نویسنده اصلی مطالعه می‌گوید.
“تخمین تقریبی ما این است که هر سال، منطقه وادوز موهاوی معادل مقدار آبی که در سد هوور است از دست می‌دهد. در طول سال‌های خشکسالی ۲۰۱۹ تا ۲۰۲۲، منطقه وادوز خشک و خشک‌تر شده است.”
سایر فناوری‌های نقشه‌برداری رطوبت خاک
این روش آخرین نوآوری در یک خط از ابتکارات برای اندازه‌گیری رطوبت خاک است.
اخیراً، ناسا دو مأموریت پیشگام به مدار پایین زمین پرتاب کرده تا فناوری‌های نوین برای مشاهده گازهای جوی و اندازه‌گیری آب شیرین را نشان دهد.
یکی از این مأموریت‌ها، سیگنال‌های فرصت-تحقیق P-Band (SNoOPI)، شامل یک گیرنده رادیویی کم‌نویز است که روش جدیدی برای اندازه‌گیری رطوبت ناحیه ریشه‌زنی خاک را آزمایش می‌کند. این روش از سیگنال‌های رادیویی از ماهواره‌های تجاری استفاده می‌کند، همه در یک CubeSat 6U فشرده به اندازه یک جعبه کفش بسته‌بندی شده‌اند.
“با پایش مقدار آب در خاک، ما درک خوبی از رشد محصولات بدست می‌آوریم. همچنین می‌توانیم هوشمندانه‌تر آبیاری را پایش کنیم،” جیمز گریسون، استاد هوافضا و فضانوردی در دانشگاه پردو و محقق اصلی SNoOPI می‌گوید.
فراتر از بیابان‌ها
اندازه‌گیری لحظه‌ای رطوبت منطقه وادوز برای استراتژی‌های مؤثر مدیریت و حفظ آب ضروری است.
زدجان-فو برنامه دارند استفاده از این فناوری را به مناطق فراتر از بیابان‌ها گسترش دهند.
“ما می‌دانیم این روش برای این سایت خاص به خوبی کار می‌کند،” فو می‌گوید. “بسیاری از مناطق دیگر با همان اقلیم می‌توانند فرآیندهای هیدرولوژیکی متفاوتی داشته باشند، مانند کالیفرنیای مرکزی، جایی که عملیات کشاورزی آب برداشت می‌کنند، اما منطقه همچنین ذوب برف از کوه‌های سیرا نوادا را دریافت می‌کند.”
این مطالعه در
Nature Communications
منتشر شده است.
