Los investigadores de Caltech han desarrollado un nuevo método para medir la humedad del suelo en la región subterránea poco profunda entre la superficie y los acuíferos subterráneos. Esta región, llamada zona vadosa, es crucial para que las plantas y cultivos obtengan agua a través de sus raíces. Sin embargo, medir cómo fluctúa esta humedad subterránea a lo largo del tiempo y dentro de regiones geográficas se ha basado tradicionalmente en imágenes satelitales, que solo proporcionan promedios de baja resolución y no pueden penetrar debajo de la superficie. Además, la humedad dentro de la zona vadosa cambia rápidamente: una tormenta puede saturar una región que se seca días después.
El nuevo método se basa en tecnología sísmica que normalmente mide cómo se sacude el suelo durante un terremoto. Sin embargo, puede detectar vibraciones de la actividad humana como el tráfico. A medida que estas vibraciones viajan a través del suelo, la presencia de agua las ralentiza: cuanta más humedad, más lentas son las vibraciones. El nuevo estudio midió la cantidad de agua en la zona vadosa a través de las sacudidas sísmicas del tráfico diario.
La investigación es una colaboración entre los laboratorios del hidrólogo Xiaojing (Ruby) Fu, profesor asistente de ingeniería mecánica y civil; y el sismólogo Zhongwen Zhan, profesor de geofísica. Aparece en la revista un artículo que describe el trabajo. comunicación de la naturaleza Agosto 5.
El nuevo método se basa en una técnica iniciada en el laboratorio de Zhang, llamada detección acústica distribuida (DAS). Con esta técnica, los láseres se dirigen a cables de fibra óptica subterráneos no utilizados (como los que proporcionan Internet). La luz láser se dobla y refracta cuando las ondas sísmicas o cualquier tipo de vibración pasan a través del cable. La medición de los movimientos de esta luz láser proporciona a los investigadores información sobre las ondas que pasan, lo que hace que el cable de 10 kilómetros sea equivalente a una línea de miles de sensores sísmicos convencionales.
A raíz del terremoto de magnitud 7,2 de 2019 en Ridgecrest, California, Zhan instaló una matriz DAS en un cable cercano para medir las réplicas. Con la colaboración de Fu, el equipo se dio cuenta rápidamente de que el conjunto también podría usarse para medir cómo cambian las vibraciones subterráneas diarias dependiendo del contenido de agua del suelo. Durante cinco años, el equipo recopiló datos y construyó modelos para comprender cómo cambia la humedad en la zona vadosa con el tiempo. Descubrieron que durante la sequía histórica de California de 2019 a 2022, la humedad en la zona vadosa disminuyó significativamente en 0,25 m por año, superando la precipitación promedio.
“Desde los 20 metros superiores de suelo en la región de Ridgecrest, podemos extrapolar a todo el desierto de Mojave”, dijo Ian Yang, estudiante de posgrado en geofísica y coprimer autor del estudio. “Nuestra estimación aproximada es que cada año, la zona vadosa de Mojave pierde la cantidad equivalente de agua debido a la presa Hoover. En los años de sequía de 2019 a 2022, la zona vadosa se ha vuelto cada vez más seca”.
La capacidad de medir la humedad de la zona vadosa en tiempo real es fundamental para gestionar el uso del agua y los esfuerzos de conservación. A continuación, el equipo quiere implementar la tecnología en áreas distintas a los desiertos.
“Sabemos que este enfoque funciona muy bien para este sitio en particular”, dijo Fu. “Muchas otras regiones interesantes con climas similares pueden tener procesos hidrológicos diferentes, como el centro de California, donde las actividades agrícolas extraen agua, pero esta región recibe el deshielo de las montañas de Sierra Nevada”.
Nunca se han utilizado instrumentos sismológicos para medir la humedad del suelo a una escala tan grande durante un período de tiempo tan prolongado y continuo. El proyecto es posible gracias a la financiación y el apoyo del Resnick Sustainability Institute (RSI) de Caltech.
“Este es exactamente el tipo de ciencia interdisciplinaria y creativa que el Instituto Resnick fue diseñado para apoyar, reuniendo a colegas que de otro modo no trabajarían juntos y desarrollando colaborativamente nuevas herramientas que pueden ayudar a medir y gestionar la disponibilidad de agua de manera más sostenible”, dijo Neil Frommer. , director ejecutivo de programas del Resnick Sustainability Institute.