Дефицит воды распространяется по всей Земле. Это особенно остро стоит в пустынных районах Ближнего Востока, которые подвержены как засухе, так и экстремальным условиям, таким как наводнения. В результате этой неопределенности все чаще используются неглубокие водоносные горизонты для смягчения этого дефицита. Однако характеристики этих водоносных горизонтов остаются плохо изученными из-за того, что при управлении ими используются спорадические каротажные данные.

Чтобы решить эту задачу, группа исследователей из инженерной школы Университета Южной Калифорнии в Витерби, кафедра электротехники и вычислительной техники Минг Се, вместе с коллегами со всего мира разработала новый прототип того, что команда называет «радиолокатором воздушного зондирования для исследования недр пустыни». Водоносные горизонты», получившее прозвище «Пустыня-МОРЕ».

Новая техника составит карту верхней части водоносного горизонта, называемого зеркалом грунтовых вод, охватывая территории размером в сотни километров, с помощью радара, установленного на высотном самолете. По словам исследователей, Desert-SEA впервые будет измерять изменчивость глубины грунтовых вод в больших масштабах, что позволит ученым-водникам оценить устойчивость этих водоносных горизонтов без ограничений, связанных с картированием на месте в суровые и труднодоступные места.

«Понимание того, как неглубокие грунтовые воды движутся по горизонтали и вертикали, является нашей основной целью, поскольку оно помогает нам ответить на несколько вопросов о их происхождении и эволюции в обширных и суровых пустынях. Это вопросы, которые остаются без ответа по сей день», — говорит Хегги, ученый-исследователь из Университет Южной Калифорнии, специализирующийся на радиолокационном дистанционном зондировании пустынь и ведущий автор статьи, описывающей технологию в Журнал IEEE по геонаукам и дистанционному зондированию.

Как это работает

В методике используется низкочастотный радар для исследования земли. Радар посылает в грунт серию импульсных волн, которые отражаются при взаимодействии с водонасыщенным слоем. На основе отраженного сигнала и с использованием массива современных антенн в сочетании с вычислительными методами можно составить карту уровня грунтовых вод с относительно высоким вертикальным и пространственным разрешением.

На изображении стабильный уровень грунтовых вод обычно выглядит как плоский отражатель, поскольку количество забранной воды и количество воды, поступающей в систему («ее «пополнение»), почти равны. Однако, если есть какой-либо дисбаланс, это будет отражено на результирующем изображении, показывающем отклонение формы зеркала грунтовых вод вверх или вниз.

Подобная методика широко используется для исследования льдов Антарктики и планетных тел; однако адаптация его для обнаружения неглубоких водоносных горизонтов в пустынях потребовала решения нескольких проблем в конструкции радара, для решения которых потребовалось три года напряженной работы с отраслевыми партнерами в Карловых Варах, штат Калифорния.

«В частности, нам пришлось устранить слепую зону у поверхности. Сильно ослабляющая радары поверхность, неопределенные источники шума и сложные помехи могут замаскировать обнаружение неглубоких водоносных горизонтов. Возможности нашей системы по зондированию и съемке превосходят возможности коммерческих систем наземного проникновения. радары, установленные на поверхности или на дронах. Наша система передает более сильные сигналы, имеет более чувствительные приемники и работает на несколько порядков быстрее», — говорит Хегги.

Современные карты неглубоких грунтовых вод в некоторых частях засушливых пустынь, таких как Сахара, основаны на данных из скважин, находящихся на расстоянии десятков, сотен, а иногда даже тысяч миль друг от друга, что может привести к неточным оценкам их объема и динамики.

Хегги предполагает, что это было бы похоже на получение данных о подземных водах на всей территории Соединенных Штатов, просто просматривая данные из колодца в Нью-Джерси. (Пустынная территория Северной Африки и Аравийского полуострова в два раза превышает площадь континентальной части США). Таким образом, одни только каротажные диаграммы не могут дать правильную оценку их быстрой эволюции, предупреждает Хегги.

По мнению исследователей, способность Desert-SEA передавать мощные сигналы и использовать передовую встроенную обработку может заполнить пробелы в данных, представленных географическим распределением каротажных диаграмм.

Хегги предсказывает, что с помощью этого нового прототипа даже на небольшом самолете, летящем со скоростью двести миль в час, команда сможет за час преодолеть то, что исследователи обычно преодолевают за год, используя данные каротажа скважин.

Соавтор Билл Браун был ведущим инженером проекта. Браун говорит: «Радар пустынного моря представляет собой значительный прогресс в области воздушного зондирования и экологической инженерии. Интегрируя высокочастотный радар с технологиями искусственного интеллекта, он может создавать в реальном времени трехмерные карты подземных водных источников. Эта возможность имеет решающее значение для обеспечение устойчивого управления водными ресурсами в засушливых регионах».

Хотя эта технология будет опробована на Ближнем Востоке, она найдет широкое применение и в других местах, подверженных длительным засухам, особенно в Центральной Азии и Австралии, и даже в пустынях США.

Эта технология лучше всего работает в очень засушливых районах, таких как песок, и ее особая важность выходит за рамки понимания текущего водоснабжения. Его также можно использовать для повторных оценок, чтобы понять устойчивость сельского хозяйства и, следовательно, обеспечить продовольственную безопасность жителей этих экстремальных условий.

«Возможность заглянуть на глубину более 100 футов через сухой песок, сквозь обширные пустыни и в рекордно короткие сроки позволит нам ответить на фундаментальные вопросы о приливах и отливах подземных вод в этих регионах и о том, как мы можем использовать их в более устойчивым способом», — сказала Элизабет Палмер, стипендиат Фулбрайта, работающая над проектом.

«Я всегда рад участвовать в воздушных исследовательских миссиях. Однако, поскольку миссия Desert-SEA будет иметь гуманитарное воздействие на снижение водного стресса, она дает мне уникальные чувства мотивации и гордости», — Акрам Амин Абделлатиф, исследователь Технического института. Об этом сообщил Мюнхенский университет (ТУМ).

Следующим шагом исследовательской группы станет создание летной модели, которую можно будет использовать на вертолетах и ​​самолетах.