Neue Technik nutzt Verkehrslärm zur Messung von Bodenfeuchte
Erfahren Sie in diesem Beitrag, wie seismische Detektoren Verkehrslärm nutzen, um Bodenfeuchtigkeit präzise zu messen und die Wasserbewirtschaftung zu revolutionieren.
Verkehrslärm kann dabei helfen, die Bodenfeuchtigkeit zu messen.
Foto: PantherMedia / Z Jan
Forschende des California Institute of Technology (Caltech) haben eine neue Methode zur Messung der Bodenfeuchtigkeit entwickelt. Die innovative Technik nutzt seismische Sensoren, um die Feuchtigkeit im Boden durch alltägliche Verkehrsgeräusche zu bestimmen. Im Gegensatz zu traditionellen Methoden, die auf Satellitenbilder angewiesen sind, ermöglicht diese neue Technik eine präzisere und tiefere Analyse der Bodenfeuchtigkeit.
Glasfaserkabel spielen eine wichtige Rolle
Traditionell werden Schwankungen der Bodenfeuchtigkeit durch Satellitenbilder gemessen. Diese Methode bietet jedoch nur grobe Durchschnittswerte und dringt nicht tief unter die Erdoberfläche vor. Die neue Methode, entwickelt von Forscherinnen und Forschern um den Seismologen Zhongwen Zhan und den Hydrologen Xiaojing Fu, nutzt seismische Wellen, um die Feuchtigkeit in der sogenannten vadosen Zone zu messen – dem Bereich zwischen der Erdoberfläche und den Grundwasserleitern.
Die Methode basiert auf Distributed Acoustic Sensing (DAS). Dabei werden Laser durch ungenutzte unterirdische Glasfaserkabel geleitet. Seismische Wellen oder Vibrationen durch den Verkehr beeinflussen diese Kabel, wodurch das Laserlicht gebogen und gebrochen wird. Durch die Messung dieser Veränderungen können die Forscher präzise Daten über die Bodenfeuchtigkeit gewinnen.
Anwendung in der Praxis
Im Jahr 2019, nach einem Erdbeben in Ridgecrest, Kalifornien, setzte das Team ein DAS-Array auf einem nahegelegenen Glasfaserkabel ein. Sie entdeckten, dass die Methode nicht nur zur Messung von Nachbeben geeignet war, sondern auch zur Erfassung von Feuchtigkeitsschwankungen im Boden. Über einen Zeitraum von fünf Jahren sammelten sie Daten und entwickelten Modelle, die die Veränderungen der Bodenfeuchtigkeit im Laufe der Zeit darstellen.
Während der Dürreperiode von 2019 bis 2022 beobachteten die Forschenden einen signifikanten Rückgang der Bodenfeuchtigkeit in der Ridgecrest-Region. Die Feuchtigkeit in der vadosen Zone nahm mit einer Rate von 0,25 Metern pro Jahr ab, was die durchschnittlichen jährlichen Niederschläge überstieg. Diese Daten lassen sich auf die gesamte Mojave-Wüste hochrechnen, was zeigt, dass diese Zone jährlich eine Wassermenge verliert, die der des Hoover-Damms entspricht.
Vorteile der neuen Methode
Die Echtzeitmessung der Bodenfeuchtigkeit ist entscheidend für die Wasserbewirtschaftung und die Planung von Wassereinsparungsstrategien. Die Verwendung seismischer Wellen bietet eine tiefere und genauere Analyse als Satellitenbilder. Darüber hinaus ermöglicht diese Methode eine kontinuierliche Überwachung, was besonders in Zeiten von klimatischen Extremen wie Dürren von großer Bedeutung ist.
Als nächstes will das Team die Technologie in anderen Regionen als der Wüste einsetzen. „Wir wissen, dass diese Methode für diesen speziellen Standort sehr gut funktioniert“, sagt Fu. „Viele andere interessante Regionen mit demselben Klima könnten andere hydrologische Prozesse aufweisen, wie z. B. Zentral-Kalifornien, wo landwirtschaftliche Betriebe Wasser entnehmen, die Region aber auch Schneeschmelze aus der Sierra Nevada erhält“.
Zukünftige Perspektiven
Diese interdisziplinäre Forschung wurde durch das Resnick Sustainability Institute (RSI) von Caltech unterstützt. Neil Fromer, Executive Director of Programs des RSI, betont die Bedeutung solcher innovativen Ansätze für die nachhaltige Wasserbewirtschaftung. Die Kombination von seismologischer und hydrologischer Expertise ermöglicht neue Einblicke in die Verfügbarkeit und Nutzung von Wasserressourcen.
„Durch die Überwachung der Wassermenge im Boden erhalten wir ein gutes Verständnis des Pflanzenwachstums. Außerdem können wir die Bewässerung intelligenter überwachen“, so James Garrison, Professor für Luft- und Raumfahrttechnik an der Purdue University.
Die Studie wurde in Nature Communications veröffentlicht.
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