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 el agua subterránea. Esta región, llamada zona vadosa, es fundamental para que las plantas y cultivos absorban agua a través de sus raíces. Sin embargo, medir cómo fluctúa esta humedad subterránea a lo largo del tiempo y entre 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: las tormentas eléctricas pueden saturar el área que se seca unos días después.
El nuevo método se basa en tecnología sísmica que normalmente mide cómo tiembla el suelo durante un terremoto. Sin embargo, también puede detectar vibraciones de actividades humanas 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 los terremotos provocados por el tráfico diario.
La investigación es una colaboración entre los laboratorios del hidrólogo Xiaojing (Ruby) Fu, profesor asistente de ingeniería civil y mecánica. y el sismólogo Zhong Wen Zhan, profesor de geofísica. En la revista aparece un artículo que describe el trabajo. Comunicaciones de la naturaleza El 5 de agosto
El nuevo método se basa en una técnica iniciada en el laboratorio de Zhan, llamada detección acústica distribuida (DAS). Con esta técnica, los láseres apuntan a cables de fibra óptica subterráneos no utilizados (como los que proporcionan Internet). A medida que una onda sísmica, o cualquier tipo de vibración, viaja a través del cable, la luz láser se dobla y se refracta. Medir la oscilación de esta luz láser proporciona a los investigadores información sobre la onda que la atraviesa, lo que hace que el cable de 10 kilómetros equivalga a una línea de miles de sensores sísmicos tradicionales.
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. En colaboración con Fu, el equipo se dio cuenta rápidamente de que el conjunto también podría usarse para medir cómo cambian las vibraciones diarias del subsuelo dependiendo del contenido de agua del suelo. A lo largo de cinco años, el equipo recopiló datos y construyó modelos para explicar cómo la humedad en la zona vadosa varía con el tiempo. Descubrieron que durante la sequía histórica de California de 2019 a 2022, la humedad en la zona vadosa disminuyó significativamente a un ritmo de 0,25 m/año, por encima de la precipitación promedio.
“Desde los 20 metros superiores del suelo en la región de la cresta de la cresta, podemos llegar a todo el desierto de Mojave”, dice Yan Yang, estudiante graduado en geofísica y coprimer autor del estudio. “Nuestra estimación aproximada es que cada año, la zona vadosa de Mojave pierde tanta agua como la presa Hoover. En los años de sequía de 2019 a 2022, la zona vadosa ha sido 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. Después de eso, el equipo planea implementar la tecnología en áreas distintas al desierto.
“Sabemos que este método funciona muy bien para este sitio en particular”, dice Fu. “Muchas otras regiones interesantes con el mismo clima pueden tener procesos hidrológicos diferentes, como el centro de California, donde las operaciones agrícolas extraen agua, pero la región también recibe deshielo de las montañas de Sierra Nevada”.
Nunca se han utilizado instrumentos sísmicos para medir la humedad del suelo a una escala tan grande. Este proyecto fue posible gracias a la financiación y el apoyo del Resnick Sustainability Institute (RSI) de Caltech.
“Este es exactamente el tipo de ciencia creativa e interdisciplinaria que el Instituto Resnick fue diseñado para apoyar, reuniendo a colegas que de otro modo no trabajarían juntos y aportando nuevas herramientas a esa colaboración que pueden ayudar a medir y gestionar la disponibilidad de agua de manera más sostenible. ”, dice Neil Frommer, director ejecutivo de programas del Resnick Sustainability Institute.
