اثر خشکسالی در تابستان 2011 در جنوب ایالات متحده به راحتی قابل تشخیص بود. این امر در محصولات سوخته، پژمرده و مزارع برهنه پیدا بود. در ابرهای گرد و غبار که به آسمان و مخازن در حال انقباض می غلتید. در آتش سوزی هایی که از میان چمنزارهای شکننده و جنگل ها عبور می کردند و خانه ها و بیابان را می بلعیدند. در گرمای طاقت فرسایی که روز به روز بازگشت.

دو دامدار در ژوئیه 2011 از دشت های غرب تگزاس که دچار خشکسالی شده اند عبور می کنند.

با نزدیک شدن به پایان سال 2011، خشکسالی سخت تر شد. با بازگشت زمستان، باران شروع به باریدن کرد و دما کاهش یافت. اما خشکسالی هنوز وجود داشت و در زیر سطح زمین باقی مانده بود. بخصوص از دید آب شناسان که چاه هایی را که در اعماق سفره های زیرزمینی فرو می روند، آزمایش می کردند. این خشکسالی طولانی برای یک جفت ماهواره بسیار غیرمعمول نیز قابل مشاهده بود.

در نبراسکا، برایان واردلو و همکارانش در مرکز ملی کاهش خشکسالی مدتها قبل و بعد از توجه متوسط ​​شهروندان به خشکسالی، این پدیده را رصد کردند. واردلو محصولات مبتنی بر ماهواره را تولید می کند که کارشناسان از آن استفاده می کنند - همراه با مشاهدات سنتی تر از زمین - برای ارزیابی شدت خشکسالی. با مشاهده اندازه گیری های ماهواره ها، وردلو می تواند تغییرات گسترده ای را در منابع آب زیرزمینی در اعماق مختلف در مناطق وسیع جنوب مشاهده کند.

اندازه گیری ذخیره آب زیرزمینی (سفره های زیرزمینی) - فراتر از آبهای سطحی (دریاچه ها، رودخانه ها و غیره) - اثرات طولانی مدت خشکسالی را نشان می دهد. این نقشه در مقایسه با متوسط ​​بلند مدت، شرایط آب زیرزمینی در ایالات متحده را در طول هفته 28 نوامبر 2011 نشان می دهد. یک انیمیشن سری زمانی تکامل آبهای زیرزمینی را از 2002 تا 2012 نشان می دهد. (نقشه ساخته شده توسط کریس پولسن، مرکز ملی کاهش خشکسالی، براساس داده های تیم علمی GRACE.)

پس از یک سال بدون باران زیاد، تعجب آور نبود که خشکسالی در زیر سطح زمین ماند. وردلوو، متخصص سنجش از دور در دانشگاه نبراسکا - لینکلن، می گوید: "تخلیه آب های زیرزمینی مدت زیادی طول می کشد، اما تغذیه مجدد نیز زمان زیادی می برد." از تجربه، او انتظار داشت که منابع آب زیرزمینی منطقه ای کاهش یابد. اما این بار او می توانست جزئیات آن را بیشتر از اندازه گیری های سنتی چاه ارائه دهد.

مشاهده آب ذخیره شده در زیر لایه های خاک و سنگ چیز کمی نبود. هنگامی که ماهواره های دوقلو موسوم به "بازیابی جاذبه و آزمایش آب و هوا" یا "GRACE" در مارس 2002 پرتاب شدند، تعداد کمی از متخصصان علم آب معتقد بودند که می توانند تغییرات آب زیرزمینی را ببینند - نه کمتر اما حداقل دو دانشمند این کار را کردند: جی فامیگلیتی و دانشجوی تحصیلات تکمیلی وی مت رودل، که در آن زمان در دانشگاه تگزاس در آستین (UT-Austin) کار می کردند.

ماهواره های دوقلوی GRACE در 17 مارس 2002، روی یک موشک روسی پرتاب شدند.

رودل که اکنون دانشمندی در مرکز پرواز فضایی Goddard ناسا است، دهه گذشته را صرف مطالعه آبهای زیرزمینی با GRACE کرده و تلاش کرده است تا این اندازه گیریها برای تصمیم گیرندگان مفید واقع شود. عمدتا به لطف فامیلیتی، رودل و تعداد انگشت شماری از دانشمندان، اندازه گیری GRACE از آبهای زیرزمینی، یخ و اقیانوس ها آنقدر ضروری است که ناسا در حال آماده سازی برای انجام یک مأموریت جدید بود.

رودل می گوید: "هیدرولوژیست ها GRACE را به سرعت پذیرفتند زیرا ساختار داده های آن بر خلاف آنچه بود که قبلاً دیده بودند ." GRACE یک کاوشگر نیست که بتواند برای اندازه گیری مستقیم آب در زمین مدفون شود. حتی یک ماهواره استاندارد نیست که از زمین عکس بگیرد.

در حقیقت، داده های خام GRACE چیزی نیستند جز یک سری اندازه گیری ها که نشان می دهد فاصله دو ماهواره از یکدیگر فاصله دارد. ماهواره های دوقلو در مدار زمین و در فاصله 200 کیلومتری یا مسافتی یکدیگر را دنبال می کنند. آنها دائماً سیگنالهای مایکروویو را برای اندازه گیری فاصله بین آنها به یکدیگر ارسال می کنند.

در سطح پیچیده تری، GRACE گرانش را اندازه گیری می کند، نیرویی که ما را به سیاره لنگر می اندازد. جاذبه ای بین دو جسم است - مانند انسان و زمین - و قدرت آن بسته به میزان جرم آن اجسام و فاصله آنها متفاوت است. به عنوان مثال، نیروی طناب کشی برای شخص در ماه نسبت به زمین ضعیف تر است زیرا زمین از جرم بیشتری برخوردار است. فامیلیتی، اکنون در دانشگاه کالیفرنیا-ایروین، می گوید: "GRACE به زمین نگاه نمی کند." "این ماهواره زمین زمین را حس می کند"

گرانش زمین از مکانی به مکان دیگر متفاوت است، که بخشی از آن توسط ارتفاع، ضخامت پوسته و تراکم مواد مختلف تعیین می شود.

حواس ما گرانش زمین را ثابت می داند، اما در واقع از محلی به مکان دیگر کمی متفاوت است. همچنین با جابجایی جرم تغییر می کند. وقتی ماهواره های GRACE با تغییر در توزیع جرم زمین روبرو می شوند - می گویند پتو عظیم از برف تازه در سیرا نوادا در کالیفرنیا - کمی بیش از حد طبیعی به سمت کوهها کشیده می شوند. ماهواره پیشرو ابتدا با تغییر فاصله بین دو ماهواره پاسخ می دهد. ابزارهای موجود در ماهواره ها این تغییر در جداسازی را تا یک صدم عرض موی انسان ثبت می کنند. با ردیابی روند چگونگی تغییر مدار ماهواره ها، دانشمندان و مهندسان می توانند نحوه تغییر گرانش در زمین را محاسبه کنند.

بنابراین وقتی منابع آب زیرزمینی در سال 2011 در جنوب ایالات متحده کاهش یافت، جرم آن منطقه از کره زمین کمی کمتر بود. مدارهای ماهواره در پاسخ کمی حرکت کردند. داده های GRACE تغییر در ذخیره آب زیرزمینی به وردلو را نشان داد.

سرنیاس بداپار، مدیر عملیات علمی GRACE در UT-Austin، اندازه گیری گرانش توسط ماهواره به اندازه عصر فضا قدیمی است. مهندسین اولیه، از جمله بازرسان اصلی GRACE، بایرون تاپلی (UT-Austin)، در مدارهای ماهواره ای تغییراتی را کشف کردند که فقط می تواند ناشی از تغییرات گرانش باشد.

تاپلی می گوید: "اولین کاری که در دهه 1970 با آن دست به گریبان شدم، محاسبه دقیق مدار ماهواره ها برای پشتیبانی از مأموریت های ارتفاع سنج ماهواره بود." "ما به جایی رسیدیم که می توانیم مدارهایی را با دقت چند سانتی متر محاسبه کنیم." سرانجام محاسبات وی به خطایی برخورد کرد که نتوانست آن را برطرف کند. مدارهای ماهواره فصلی متفاوت است.

تاپلی و دیگران دریافتند که این تغییرات ظریف در گرانش زمین در درجه اول به این دلیل رخ داده است که آب از یک مکان به مکان دیگر در زمین و زیر زمین، در اقیانوس و در جو حرکت می کند. در روزهای اولیه، تغییرات مداری تاپلی می تواند حرکت را در مقیاس یک نیمکره ضبط کند. اما هیچ کس نمی توانست شیفت های ظریف و کوچک را به اندازه کافی دقیق اندازه گیری کند تا بتواند گرانش زمین را با جزئیات دقیق ترسیم کند.

GRACE گرانش زمین را دقیقاً اندازه گیری می کند تا حرکت فصلی آب را ترسیم کند. این تصویر تغییر سالانه ژئوئید زمین را نشان می دهد. بیشترین تغییرات در آمازون و به دنبال آن مناطق دیگر با تغییرات زیادی در بارندگی بین فصول مرطوب و خشک وجود دارد.

مایکل واتکینز، دانشمند پروژه GRACE در آزمایشگاه پیشرانه جت ناسا (JPL)، می گوید: "هنگامی که ما GRACE را برای اولین بار پیشنهاد کردیم، نگرانی زیادی در مورد اینکه چقدر می توانیم تعیین کنیم سیگنال جاذبه از کجا می آید وجود داشت. "آیا می توانید به راحتی تفاوت بین یک مخزن در آمریکای شمالی در مقابل ذوب یخ در گرینلند در مقابل گردش اقیانوس را ببینید؟ ما شبیه سازی های زیادی انجام دادیم تا مردم را متقاعد کنیم که می توانیم. "

GRACE قادر است اندازه گیری های دقیق خود را تا حدی به لطف دو فناوری پیشرفته انجام دهد: یک سیستم مایکروویو مبتنی بر سیستم موقعیت یابی جهانی (GPS) و یک شتاب سنج بسیار حساس - ابزاری که علاوه بر گرانش (مانند جو کشیدن) کار می کند.

فناوری مایکروویو از شبکه Deep Space ناسا تهیه شده است که توسط مهندسان گروه واتکینز در JPL طراحی شده است. واتکینز می گوید: "آنتن های GRACE بر اساس آنتن هایی طراحی شده اند که فضاپیماهای مریخ و مشتری را ردیابی می کنند." سیستم دامنه جدید آنقدر دقیق بود که یک آنتن روی هر ماهواره می توانست به آن اجازه دهد کوچکترین حرکت دیگری را ردیابی کند. ماهواره ها و گیرنده های GPS در زمین اندازه گیری های بیشتری از مکان های ماهواره ارائه می دهند.

در طول هر مدار 95 دقیقه ای، فاصله بین ماهواره های GRACE حدود 2 کیلومتر (1.2 مایل) تغییر می کند. ابزارهای موجود در ماهواره جدایی را با دقت یک میکرومتر (0.00004 اینچ) اندازه گیری می کنند.

شتاب سنج نیروهایی را که ماهواره را با فشار دادن روی سطح آن حرکت می دهند، اندازه گیری می کند. واتکینز می گوید: "این اندازه گیری به ما امکان می دهد هر چیزی را که به کشش یا فشار خورشیدی مربوط باشد اصلاح کنیم و فقط جاذبه را محاسبه کنیم."

با هم، این اندازه گیری های دقیق موقعیت، نیرو و تغییر مداری به یک مشاهده گرانش با دقت بی سابقه تبدیل می شود. برخلاف اکثر ماهواره ها که در مدار دقیق کنترل می شوند، ماهواره های GRACE به مدار بالایی پرتاب شدند و سپس تا حد زیادی تنها ماندند. مهندسان پرواز فقط در صورت جدا شدن بیش از 250 کیلومتر از ماهواره ها مانور می دهند. همانطور که ماهواره ها دور زمین می چرخند، این فناوری به دانشمندان می گوید دقیقاً مکان هر ماهواره نسبت به ماهواره دیگر چیست. ابر رایانه ها و دانشمندان موقعیت ماهواره ها را نسبت به یکدیگر و مدارهای قبلی مقایسه می کنند و هر تغییر را یادداشت می کنند.

برای ارتباط دادن تغییرات در حرکت ماهواره ای به سمت تغییر در گرانش، بتادپار و تیمش با بررسی مسیرهای ماهواره ها شروع می کنند. آنها می دانند کوهها کجا هستند و اقیانوس ها در کجا رشد می کنند. آنها مسیر خورشید و ماه و نوسانات جزر و مدی اقیانوس ها را می دانند. آنها می دانند چه سیستم های جوی بزرگی در جو جابجا کرده اند. و آنها می توانند تعیین کنند که همه این موارد چه مقدار باید روی ماهواره ها اثر بگذارند.

محققان با استفاده از ریاضیات و قوانین بنیادی فیزیک اندازه گیری مسیرهای ماهواره را به اندازه گیری گرانش تبدیل می کنند و معادلات به اندازه ایزاک نیوتن قدیمی هستند. سر آیزاک حساب را برای حل معادلات خود اختراع کرد. تیم GRACE به یک ابر رایانه نیاز دارد. یک ابر رایانه که در مرکز محاسبات پیشرفته تگزاس واقع شده است، میلیاردها عملیات محاسباتی را بر روی نیم میلیون مشاهده جدید جمع آوری شده هر ماه انجام می دهد. نتیجه نهایی یک مجموعه واحد است که بیانگر میزان جاذبه زمین نسبت به ماههای گذشته است.

GRACE تغییرات در صفحه یخ قطب جنوب را از دسامبر 2003 تا 2010 اندازه گیری کرد. مناطق قرمز توده را از دست دادند، در حالی که مناطق آبی جرم گرفتند.

بتادپار می گوید: "فاصله ماهواره ها طی یک دور به دور زمین دو تا سه کیلومتر تغییر می کند." "و ما می توانیم همه، به جز چند میلی متر، از آنچه قبلاً می دانیم، حساب کنیم. آنچه ما نمی دانیم مواردی مانند چرخه آب در خشکی یا تغییر یخ ها است، اما فکر می کنیم اینها باعث ایجاد حرکتی اندک می شود که نمی توانیم پاسخگوی آن باشیم. "

در دهه پس از راه اندازی، GRACE تغییرات قابل توجهی را در چرخه آب مشاهده کرده است. GRACE در گرینلند (جایی که از دست دادن چشمگیر است)، آلاسکا و قطب جنوب تلفات توده یخی را نشان داد. اندازه گیری های جاذبه نشان داد که یخچال های ذوب شده با ثبت یخ از دست رفته از خشکی و جرم بدست آمده در اقیانوس، چه میزان به افزایش سطح دریا کمک می کنند.

California's Central Valley یکی از مناطقی است که GRACE نشان می دهد از سال 2003 در ذخایر آب زیرزمینی کاهش داشته است. 

رودل و فامیلتی با نگاهی به تغییرات سطح آبهای زیرزمینی در طول زمان روند نگران کننده ای را شناسایی کرده اند. رودل می گوید: "GRACE نشان می دهد که مردم در آنجا آب بیشتری از میزان طبیعی یا پایدار مصرف می کنند." دانشمندان این روند را براساس آنچه در مورد استفاده از آب می دانیم پیش بینی کردند. اما تا زمانی که GRACE را نداشتیم، نمی توانستیم برای بسیاری از نقاط جهان به خوبی آن را بسنجیم. "

وزن آب

رودل تأیید می کند: "GRACE به شما تغییرات کل آب ذخیره شده در زمین را می دهد." "اما برای اینکه بفهمیم آیا این تغییرات در آبهای زیرزمینی، رطوبت خاک، برف یا آبهای سطحی اتفاق می افتد، ما به اطلاعات کمکی نیاز داریم. ما از معادلات فیزیک و مدل های رایانه ای استفاده می کنیم تا بفهمیم آب پس از برخورد با باران یا برف به زمین چه اتفاقی می افتد. "

در برخی از مناطق جهان، به ویژه مناطق گرمسیری، بیشتر آب در سطح دریاچه ها، رودخانه ها و تالاب ها ذخیره می شود. در مناطق سردسیر، آب بیشتر به صورت برف و یخ جمع می شود. در عرض های جغرافیایی معتدل (از جمله بیشتر ایالات متحده)، خاک و سفره های زیرزمینی عمده ذخیره آب هستند.

فامیلتی توضیح می دهد، در لایه بالایی خاک، فضای بین دانه های خاک با هوا و آب پر شده است. جاذبه آب را به زمین می کشد، بنابراین هرچه به تدریج در عمق خاک فرو بروید، فضای منافذ بیشتر و بیشتر پر می شوند. وقتی آب هر حفره را پر می کند، خاک اشباع می شود.

دانشمندان داده های GRACE را با اندازه گیری های زمینی ترکیب می کنند تا نقشه آب در سطح، منطقه ریشه و ذخیره شده در آب های زیرزمینی را تهیه کنند. این نقشه ها شرایط هفته 20 آگوست 2012 را با میانگین بلند مدت از 1948 تاکنون مقایسه می کنند. به عنوان مثال، مناطق قرمز تیره نشان دهنده شرایط خشک است که باید فقط 2 درصد از زمان (هر 50 سال یک بار) رخ دهد.

این نقطه اشباع بالای "سطح آب" است، جایی که آب زیرزمینی ذخیره می شود. تمایز بین رطوبت خاک (منطقه اشباع نشده) و آب های زیرزمینی (منطقه اشباع) از اهمیت زیادی برخوردار است زیرا آب های زیرزمینی به راحتی جریان می یابند تا مردم بتوانند با چاه ها و پمپ ها آن را تخلیه کنند. تهیه آب از خاک اشباع نشده بسیار دشوارتر است.

یکی از راههای تشخیص رودل بین برف، آبهای سطحی، رطوبت خاک و آبهای زیرزمینی، فرایند حذف است. وی همچنین داده های مربوط به میزان باران یا برف در هر مکان، نوع خاک، مقدار نور خورشید، سرعت باد و سایر متغیرهای هواشناسی را جمع آوری کرده و آنها را در یک مدل سطح زمین ترکیب می کند. این مدل رایانه ای از صدها معادله برای تعیین سرنوشت انرژی استفاده می کند. خورشید و آب پس از آن انرژی به سطح زمین برخورد می کند. نتایج شامل نقشه هایی از آب های زیرزمینی، رطوبت و تبخیر خاک و چگونگی تغییر آنها در طول زمان است.

از تازگی تا ضرورت

در حالی که ارزش اجتماعی و علمی اندازه گیری آبهای زیرزمینی از فضا همیشه مشخص بود، دانشمندان در ابتدا در اعتماد به GRACE مردد بودند. بایرون تاپلی می گوید: "ما ادعا کردیم که می توانیم آب را در زیر زمین اندازه بگیریم." "توانایی نفوذ از زمین به فضا یک تغییر الگو برای جامعه ای از متخصصان هیدرولوژی است که عادت دارند آب زیرزمینی را از چاه ها اندازه گیری کنند."

یک محقق سازمان زمین شناسی ایالات متحده سطح آب های زیرزمینی را در یک چاه نزدیک اوکلند، نبراسکا اندازه گیری می کند. 

تیم علمی برای متقاعد کردن آنها مبنی بر اینکه GRACE در حقیقت آبهای زیرزمینی را اندازه گیری می کند، به جستجوی مکانی بدون آب پرداخت. تاپلی می گوید: "ما سعی کردیم آزمایشی انجام دهیم تا نشان دهیم هیچ سیگنال ثقل در مناطق بسیار خشک وجود ندارد." کاندیدای عالی بزرگترین صحرای جهان خواهد بود: صحرا. در این آزمایش جواب نداد: "اما معلوم شد که یک سفره آبخوان نسبتاً بزرگی در زیر صحرای آفریقا وجود دارد."

بنابراین تیم به جای جستجوی مکانی که آب زیر زمین کمی داشته باشد، توجه خود را به جایی که زیاد است معطوف کرد. یکی از بزرگترین سفره های در ایالات متحده در زیر ایالت ایلینوی مدفون شده است. نوزده حلقه چاه بزرگ از آبخوان استفاده می کنند و شبکه ای از اندازه گیری های سطح زمین را فراهم می کنند.

این اندازه گیری ها - نوعی هیدرولوژیست استفاده می شود - با مشاهدات GRACE مطابقت دارد. اندازه گیری های اضافی آب زیرزمینی در اوکلاهما، کالیفرنیا و هند اعتبار بیشتری را ارائه داد.

با گذشت زمان، شواهد و اطمینان افزایش یافت. همانطور که رودل و فامیگلیتی نتیجه را منتشر کردند، دانشمندان شروع به شناسایی پتانسیل داده های GRACE کردند. رودل می گوید: "مردم سرانجام فهمیدند که اگر شما می خواهید رطوبت عمیق خاک یا آب زیرزمینی را از فضا اندازه گیری کنید ،" GRACE تنها بازیگر در شهر است. "

GRACE برای تصمیم گیرندگان

توانایی دیدن تغییرات آب زیرزمینی خوب است، اما برای اینکه این اندازه گیری برای تصمیم گیرندگان مفید واقع شود، وردلو لازم بود که اندازه گیری را در متن قرار دهد. خشکسالی 2011 نسبت به بقیه در قرن گذشته چقدر بد بود؟ GRACE فقط از سال 2002 در مدار است، بنابراین واردلو چگونه توانست 2011 را با خشکسالی های دهه 1970 یا 1950 مقایسه کند؟

برایان واردلو اندازه گیری های زمینی و داده های GRACE را برای ترسیم رطوبت خاک و آبهای زیرزمینی در سراسر ایالات متحده ترکیب می کند.

هنگامی که برای تهیه آن زمینه به چالش کشیده شد، راه حل رودل شبیه سازی مدل سطح زمین او بر اساس داده های هواشناسی تاریخی از سال 1948 تا به امروز بود. پس از اطمینان از اینکه ورود داده های GRACE به مدل در سال 2002 باعث تغییر ناگهانی در ترسیم مدل واقعیت نمی شود، رودل از شبیه سازی شش دهه برای مقایسه با شرایط فعلی استفاده کرد.

رودل می گوید: "برای هر هفته، ذخیره آب در هفته جاری را در مقایسه با سابقه طولانی مدت ما از مدل بررسی می کنیم." این مقایسه به رودل اجازه می دهد تا شرایط خشکسالی را رتبه بندی کرده و زمینه مورد نیاز را فراهم کند. به عنوان مثال، خشکسالی شدید ممکن است دو درصد باشد، به این معنی که از سال 1948، شرایط فقط در دو درصد از زمان خشک تر بود. پس از سه سال توسعه و اصلاح روش خود، رودل شروع به تحویل محصولات GRACE در سال 2011 به وردلو کرد.

این روش برای ارائه اندازه گیری های GRACE به عنوان یک درصد نرمال، همان چیزی بود که دستگاه های نظارت بر خشکسالی به آن نیاز داشتند. واردلو می گوید: "این به ما امکان می دهد آب های زیرزمینی GRACE را با سایر شاخص های خشکسالی مقایسه کنیم." "این به تحلیلگران خشکسالی کمک می کند تا در یک دسته از شدت خشکسالی قرار گیرند." این تصمیم از آن جهت مهم است که کشاورزان، شرکتهای بیمه و مقامات دولتی از ارزیابی برای تعیین سطح پاسخ به خشکسالی استفاده می کنند.

وردلوو اذعان می کند: "در سطح عملی، تردیدی وجود دارد و شک و تردیدی در استفاده از مجموعه داده ها وجود دارد." وی گفت: "نظارت بر خشکسالی دوست دارد در طی یک یا دو سال به همه چیز نگاه کند تا ببیند الگوها منطقی است یا خیر. بنابراین ما هنوز در آن دوره خرید هستیم. "

اما اگر GRACE چیزی را اثبات کرده است، می تواند بر شک و تردید غلبه کند.

مدیر سایت: بهزاد سرهادی

شماره تلفن: 09190622992

شناسه تلگرام مدیر سایت: SubBasin@

نشانی ایمیل: behzadsarhadi@gmail.com

(سوالات تخصصی را در گروه تلگرام ارسال کنید)

_______________________________________________________

×

 براي پيوستن به بزرگترين گروه تلگرام علوم و مهندسي آب با امکان تبادل نظر بين اعضاء کليک کنيد

کتاب کاربرد مدل QUAL2KW

کتاب کاربرد GIS در منابع آب

کتاب محاسبه سيل طرح