UNM Earth Science-Professor untersucht die Gesundheit von Grundwasserleitern im gesamten Bundesstaat: UNM Newsroom

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Eric Lindsey, Assistenzprofessor am Institut für Erd- und Planetenwissenschaften an der Universität von New Mexico, hat Bedenken hinsichtlich der Nachhaltigkeit von Grundwasserleitern auf der ganzen Welt. Aquifere, die unterirdischen Wasserspeicher der Natur, sind lebenswichtig für das menschliche Leben auf diesem Planeten. Überall auf der Welt sind Grundwasserleiter wichtige Quellen für Trinkwasser und Bewässerungswasser für Nutzpflanzen. Leider sind viele Grundwasserleiter in Schwierigkeiten, weil ihnen zu viel Wasser entzogen wird.

Eine übermäßige Entnahme von Wasser, auch Überentnahme genannt, kann schwerwiegende Folgen haben, wie z. B. den Verlust von verfügbarem Trink- und Bewässerungswasser. Auch in Küstengebieten kann eine Überentnahme zu extremen Folgen führen, wenn sich der Boden des Aquifers so stark verdichtet, dass die Erdoberfläche unter den Meeresspiegel absinkt. Dies kann an Orten wie Jakarta, Indonesien, beobachtet werden, wo einige Stadtteile jetzt mehrere Fuß unter dem Meeresspiegel liegen, was bei Flut zu Überschwemmungen führt.

Assistenzprofessor Eric Lindsey

Grundwasserleiter füllen sich mit Grundwasser, wenn Regen oder Schnee in großen Mengen fallen, um durch den Boden zu sickern und sich in winzigen, leeren Räumen unter der Erdoberfläche zu sammeln. Wenn dem Grundwasserleiter zu viel Wasser entzogen wird, trocknet der poröse Boden aus und beginnt sich zu verdichten. Dieses Phänomen, das als „Landsenkung“ bekannt ist, verursacht einen Abfall der Höhe der Erdoberfläche. Schließlich kann sich der Boden bis zu einem Punkt verdichten, an dem es kein Zurück mehr gibt. Dieser Punkt, an dem es kein Zurück mehr gibt, der als „permanente Landsenkung“ bezeichnet wird, hat schwerwiegende Auswirkungen. Sobald eine dauerhafte Landabsenkung eintritt, ist die Wasserspeicherkapazität des Aquifers für immer verringert.

Neben anderen Forschungsinteressen ist Lindsey auf die Überwachung der Höhe von Landsubventionen spezialisiert. Er trat vor kurzem der Fakultät der UNM bei, nachdem er mehrere Jahre in Südostasien verbracht hatte, um die Bewegung der Erdoberfläche zu studieren, um unterirdische Gefahren zu überwachen, die zu Katastrophen wie den Überschwemmungen in Jakarta führen können. Um seine Studien über Landsubventionen voranzutreiben, arbeitet Lindsey mit UNM zusammen Zentrum für Advanced Research Computing (CARC), um Daten zu hosten und zu verarbeiten, die Forschern dabei helfen, den tatsächlichen Zustand von Grundwasserleitern auf der ganzen Welt mit Schwerpunkt auf dem Bundesstaat New Mexico zu bestimmen.

Um genaue Landsenkungsmessungen zu erhalten, stellt Lindsey Daten zusammen, die von den von der betriebenen Sentinel-1-Satelliten gesammelt wurden Europäische Weltraumorganisation (ESA). Seit dem Start des ersten Sentinel-1-Satelliten im Jahr 2014 umkreisen sie die Erde mit Radar, um subtile Höhenänderungen der Oberfläche mit einer Technik zu messen, die als Interferometric Synthetic Aperture Radar oder InSAR bekannt ist. Jeder Sentinel-1-Satellit benötigt 90 Minuten für einen Umlauf. Aufgrund der Erdrotation kann es jedoch bis zu 12 Tage dauern, bis ein Satellit denselben Ort zweimal überfliegt. Daraus resultieren zweimonatliche Beobachtungen der Erdoberfläche für jeden Punkt auf dem Planeten. Die ESA sammelt, speichert und ermöglicht den freien weltweiten Zugriff auf die Rohdaten, die zur Erde zurückgesendet werden.

Um seine Landsenkungskarten zu erstellen, stellt Lindsey zunächst alle Satellitenbilder zusammen, die über einem Gebiet gesammelt wurden. Das bedeutet, dass er routinemäßig mehr als hundert hochauflösende Bilder herunterlädt, die jeweils etwa 24.000 Quadratmeilen abdecken. Jedes Bild ist etwa fünf Gigabyte groß, was bei vollständiger Verarbeitung in Datensätzen zu mehreren zehn Terabyte an Daten werden kann. Diese enorme Datenmenge kann problematisch sein und erfordert enorme Speicherkapazitäten.

Um diese Speicherprobleme zu lösen, erhielt Lindsey kürzlich ein Stipendium der National Science Foundation (NSF) für die Einrichtung neuer Datenspeicherknoten bei CARC. Diese erhöhte Speicherkapazität in Kombination mit den Hochgeschwindigkeits-Parallel-Computing-Fähigkeiten von CARC wird es ihm ermöglichen, die Hunderte von Terabyte an Daten zu verarbeiten, die zur Erstellung einer aktuellen Landabsenkungskarte für den gesamten Bundesstaat New Mexico erforderlich sind. Und Lindsey will damit nicht aufhören. Zukünftige Ziele umfassen nicht nur die Kartierung der aktuellen Landabsenkung in New Mexico, sondern auch die Erstellung von Karten, die im Laufe der Zeit bis zum Beginn der ersten verfügbaren InSAR-Daten im Jahr 1992 zurückreichen. Mit genügend Zeit und Ressourcen hofft er, schließlich Landabsenkungskarten für das gesamte Land zu erstellen Westen der Vereinigten Staaten.

Die Verarbeitung dieser riesigen Datenmengen ist kompliziert. Lindsey arbeitet derzeit daran, Methoden zu entwickeln, um die Daten effizient zu verarbeiten. Um seine Karten zu erstellen, müssen alle heruntergeladenen Satellitenbilder überlagert und sorgfältig aneinandergereiht werden. Dieser Prozess erfordert das Ausrichten der Bilder basierend auf der Satellitengeometrie und der Umlaufbahnposition sowie das Entfernen nachteiliger atmosphärischer Effekte, die die Bilder verzerren können. Sobald dieser Vorgang abgeschlossen ist, erstellt Lindsey ausgerichtete Bildpaare und berechnet die Messungen für alle Höhenänderungen an dem festgelegten Ort während eines bestimmten Zeitraums. Diese Messungen sind sehr genau und können Änderungen von wenigen Zentimetern für ein einzelnes zusammengesetztes Bild erkennen. Wenn sie über die Zeit gemittelt werden, können sie bis auf Millimeter pro Jahr genau sein.

Nach dem Erstellen der Karten besteht der nächste Schritt darin, diese Messungen mit Brunnenwassermessungen aus dem zu vergleichen Geologischer Dienst der Vereinigten Staaten (USGS), um die Eigenschaften des Aquifers abzuleiten. In einem nachhaltig bewirtschafteten Aquifer muss dem Aquifer eine Erholungsphase gewährt werden, damit der Boden „elastisch“ bleibt. Das bedeutet, dass dem Aquifer nach der Wasserentnahme während der Vegetationsperiode eine Ruhepause eingeräumt werden muss, um sich wieder mit Wasser zu füllen. Dies führt zu dem, was Lindsey „ein subtiles Muster saisonaler Senkung und Hebung“ nennt, und es ist ein Hinweis auf einen nachhaltigen Kreislauf der Grundwasserleiter. Was Lindsey und andere leider am häufigsten beobachten, ist, dass der Boden seine Elastizität verliert und langfristig weiter nachgibt. Dies ist besorgniserregend für die Gesundheit der Grundwasserleiter unseres Planeten.

Lindseys präzise Messungen in Verbindung mit den USGS-Daten werden es ihm ermöglichen, Gebiete zu kartieren, die ihre Grundwasserleiter aufgrund des Überpumpens von Grundwasser beschädigen. Derzeit sind die Grundwasserleiter von Albuquerque stabil oder erholen sich, seit die Stadt 2008 ihren Grundwasserverbrauch reduziert hat, obwohl diese Erholung aufgrund der Dürre erneut gefährdet ist. Vorläufige Daten aus InSAR-Beobachtungen von Städten in der Umgebung von Albuquerque zeigen jedoch Anzeichen für anhaltende Landsubventionen. Lindsey hofft, seine Daten nutzen zu können, um zu informieren und aufzuklären, bevor zu viele Schäden auftreten und weitere Grundwasserleiter eine dauerhafte Bodensenkung erfahren.

Landabsenkungen sind nicht Lindseys einziger Schwerpunkt bei UNM. Er wendet dieselben Prozesse und Datentypen an, um Bodenbewegungen zu untersuchen, die durch Erdbeben, Vulkane und tektonische Plattenbewegungen verursacht werden. Lindsey und seine Mitarbeiter an der UNM, darunter Lindsay Worthington, Brandon Schmandt und Mousumi Roy, planen, diesen Sommer einen Workshop zu leiten, um Studenten im Grundstudium in Hochgeschwindigkeits-Computing und Themen der geophysikalischen Forschung wie Landsenkungsüberwachung und unterirdische Bildgebung mit Seismik einzuführen Daten. Sie hoffen, dass die Teilnehmer in einer unterhaltsamen, integrativen und kollaborativen Umgebung etwas über Hochleistungsrechnen, geophysikalische Datenanalyse und Programmierung lernen. Weitere Informationen finden Sie auf der Website des Workshops: ESCAPE: Computer- und Programmiererfahrung in den Geowissenschaften.

Um mehr über Lindsey und seine Projekte zu erfahren, besuchen Sie seine Fakultätsprofil und sein persönliches Profil. Lindsey hat auch Code auf verfügbar github.