Измерение влажности почвы с помощью вибраций от транспорта
Исследователи из Калифорнийского технологического института разработали новый метод измерения влажности почвы в мелкой подземной зоне между поверхностью и водоносными горизонтами. Эта зона, называемая зоной аэрации (vadose zone), критически важна для получения воды растениями и сельскохозяйственными культурами через их корни.
Однако традиционные методы измерения колебаний влажности в этой зоне во времени и пространстве, такие как спутниковое зондирование, дают лишь усреднённые данные низкого разрешения и не могут проникнуть ниже поверхности. При этом влажность в зоне аэрации меняется быстро — например, после ливня регион может насытиться водой, которая высохнет за несколько дней.
Новый метод основан на сейсмических технологиях, обычно используемых для измерения колебаний грунта во время землетрясений. Эти же инструменты могут регистрировать вибрации от человеческой деятельности, например, от движения транспорта. Проходя через грунт, эти вибрации замедляются при наличии воды — чем больше влаги, тем медленнее движется волна. Исследование измеряет содержание воды в зоне аэрации, анализируя сейсмический «гул» от повседневного трафика.
Работа — результат сотрудничества лабораторий гидролога Сяоцзин (Руби) Фу, доцента машиностроения и гражданского строительства, и сейсмолога Чжунвэня Чжана, профессора геофизики. Статья с описанием исследования опубликована в журнале Nature Communications 5 августа.
Метод основан на технологии распределённого акустического зондирования (distributed acoustic sensing, DAS), разработанной в лаборатории Чжана. В этой технике лазерный луч направляется в неиспользуемые подземные волоконно-оптические кабели (например, интернет-кабели).
Когда сейсмическая волна или любая другая вибрация проходит через кабель, лазерный свет изгибается и преломляется. Измерение колебаний этого света даёт исследователям информацию о проходящей волне, превращая 10-километровый кабель в эквивалент линии из тысяч обычных сейсмических датчиков.
После землетрясения магнитудой 7.2 в Риджкресте (Калифорния) в 2019 году Чжан развернул DAS-массив на ближайшем кабеле для измерения афтершоков. В сотрудничестве с Фу команда быстро поняла, что массив также можно использовать для измерения того, как повседневные подземные вибрации меняются в зависимости от содержания воды в почве.
В течение пяти лет команда собирала данные и создавала модели, иллюстрирующие изменение влажности в зоне аэрации во времени. Они обнаружили, что во время исторической засухи в Калифорнии с 2019 по 2022 год влажность в зоне аэрации значительно снижалась со скоростью 0.25 метра в год, что превышало среднее количество осадков.
«На основе данных о верхних 20 метрах почвы в регионе Риджкреста мы можем экстраполировать их на всю пустыню Мохаве», — говорит Ян Ян, аспирант по геофизике и соавтор исследования.
«Наша приблизительная оценка такова: каждый год зона аэрации Мохаве теряет количество воды, эквивалентное объёму плотины Гувера. За засушливые годы с 2019 по 2022 эта зона становилась всё суше и суше».
Возможность измерять влажность зоны аэрации в реальном времени критически важна для управления водопользованием и усилий по сохранению воды. Далее команда намерена развернуть эту технологию в регионах за пределами пустыни.
«Мы знаем, что этот метод отлично работает для этого конкретного участка», — говорит Фу. «Многие другие интересные регионы с таким же климатом могут иметь иные гидрологические процессы, например, центральная Калифорния, где сельскохозяйственные операции забирают воду, но регион также получает талую воду с гор Сьерра-Невада».
Сейсмологические инструменты никогда ранее не использовались для измерения влажности почвы в таком крупном масштабе и в течение столь длительного непрерывного периода времени.