La carenza d’acqua si sta espandendo in tutta la Terra. Ciò è particolarmente grave nelle aree desertiche del Medio Oriente, soggette sia a siccità che a condizioni estreme come le inondazioni. Come risultato di queste incertezze, vi è una crescente dipendenza dalle falde acquifere superficiali per mitigare queste carenze. Tuttavia, le caratteristiche di queste falde acquifere rimangono poco conosciute a causa della dipendenza da sporadici registri di pozzo per la loro gestione.
Per affrontare questa sfida, un team di ricercatori del Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica della Scuola di Ingegneria Ming Hsieh dell'USC Viterbi, insieme a collaboratori in tutto il mondo, ha sviluppato un nuovo prototipo per quello che il team chiama un "Radar di sondaggio aereo per l'esplorazione del sottosuolo del deserto di Acquiferi", soprannominato "Deserto-MARE."
La nuova tecnica mapperà la parte superiore della falda acquifera, chiamata falda freatica, estendendosi su aree grandi fino a centinaia di chilometri utilizzando un radar montato su un aereo ad alta quota. Secondo i ricercatori, Desert-SEA misurerà, per la prima volta, le variabilità della profondità della falda freatica su larga scala, consentendo agli scienziati dell'acqua di valutare la sostenibilità di queste falde acquifere senza le limitazioni associate alla mappatura in situ in ambienti difficili e inaccessibili.
"Capire come le acque sotterranee superficiali si muovono orizzontalmente e verticalmente è il nostro obiettivo primario in quanto ci aiuta a rispondere a diverse domande sulla sua origine ed evoluzione nei vasti e aspri deserti. Queste sono domande che rimangono senza risposta fino ad oggi", afferma Heggy, ricercatore presso USC, specializzato nel telerilevamento radar dei deserti e autore principale dell'articolo che descrive la tecnologia nella rivista IEEE Geoscience and Remote Sensing Magazine .
La tecnica utilizza un radar a bassa frequenza per sondare il terreno. Il radar invia una serie di onde pulsate nel terreno, che si riflettono quando interagiscono con lo strato saturo d'acqua. Dal segnale riflesso e utilizzando una serie di antenne avanzate combinate con tecniche computazionali, la falda freatica può essere mappata con una risoluzione verticale e spaziale relativamente elevata.
Quando viene ripresa l'immagine, una falda freatica stabile appare solitamente come un riflettore piatto poiché la quantità di acqua prelevata e la quantità di acqua che entra nel sistema (la sua "ricarica") sono quasi uguali. Tuttavia, se c'è qualche squilibrio, questo si rifletterà nell'immagine risultante che mostra una deflessione verso l'alto o verso il basso nella forma della falda freatica.
Una tecnica simile è ampiamente utilizzata per sondare il ghiaccio nell'Antartide e nei corpi planetari; tuttavia, adattarlo per rilevare le falde acquifere poco profonde nei deserti ha richiesto la risoluzione di diverse sfide nella progettazione del radar che hanno richiesto tre anni di duro lavoro con i partner industriali di Carlsbad, California, per risolverlo.
"In particolare, abbiamo dovuto risolvere la zona cieca vicino alla superficie. Il terreno con elevata attenuazione radar, fonti di rumore non quantificate e disturbi complessi possono mascherare il rilevamento di falde acquifere superficiali. Le capacità di sondaggio e rilevamento del nostro sistema superano quelle dei sistemi commerciali di penetrazione del terreno i radar, sia montati in superficie che su droni, il nostro sistema trasmette segnali più forti, ha ricevitori più sensibili e funziona più velocemente di diversi ordini di grandezza," afferma Heggy.
Le attuali mappe delle acque sotterranee superficiali in diverse parti dei deserti aridi, come il Sahara, si basano su dati provenienti da pozzi distanti decine, centinaia e talvolta anche migliaia di miglia di distanza, il che potrebbe portare a stime imprecise del loro volume e della loro dinamica.
Heggy suggerisce che sarebbe come scoprire dati sulle acque sotterranee di tutti gli Stati Uniti esaminando esclusivamente i dati di un pozzo nel New Jersey. (L'area desertica del Nord Africa e della penisola arabica è due volte più grande degli Stati Uniti continentali). Pertanto, i soli log non possono fornire una valutazione adeguata della loro rapida evoluzione, avverte Heggy.
Secondo i ricercatori, la capacità di Desert-SEA di trasmettere segnali ad alta potenza e di utilizzare un'elaborazione avanzata a bordo può colmare le lacune nei dati presentati dalla distribuzione geografica dei registri dei pozzi.
Con questo nuovo prototipo, Heggy prevede che anche con un piccolo aeroplano che voli a duecento miglia all'ora, il team potrebbe coprire in un'ora ciò che i ricercatori normalmente coprirebbero in un anno dai dati di registro dei pozzi.
Il coautore Bill Brown è stato l'ingegnere capo del progetto. Brown afferma:"Il Desert Sea Radar rappresenta un progresso significativo nel rilevamento aereo e nell'ingegneria ambientale. Integrando il radar ad alta frequenza con le tecnologie AI, può generare mappature tridimensionali in tempo reale delle fonti d'acqua sotterranee. Questa capacità è fondamentale per garantire una gestione sostenibile dell'acqua nelle regioni aride."
Anche se questa tecnologia sarà testata in Medio Oriente, avrà ampia applicazione in altri luoghi soggetti a siccità prolungate, in particolare in Asia centrale e Australia, e persino nei deserti degli Stati Uniti.
Questa tecnologia funziona meglio in aree molto secche come la sabbia e la sua particolare importanza va oltre la comprensione dell’attuale approvvigionamento idrico. Può anche essere utilizzato per valutazioni ripetute per comprendere la sostenibilità dell'agricoltura e, di conseguenza, per garantire la sicurezza alimentare per gli abitanti di questi ambienti estremi.
"Avere la capacità di scrutare a più di 100 piedi di profondità attraverso la sabbia asciutta, attraverso vasti deserti e in tempi record, ci consentirà di rispondere a domande fondamentali sul flusso e riflusso delle acque sotterranee in queste regioni e su come possiamo utilizzarle in modo sostenibile. modo più sostenibile", ha affermato Elizabeth Palmer, una Fulbright Fellow che lavora al progetto.
"Sono sempre felice di partecipare a missioni di ricerca aviotrasportate. Tuttavia, poiché la missione Desert-SEA avrà un impatto umanitario sull'alleviamento dello stress idrico, mi dà sentimenti unici di motivazione e orgoglio", Akram Amin Abdellatif, ricercatore presso il Technical Nota dell'Università di Monaco (TUM).
Il prossimo passo per il gruppo di ricerca sarà prendere questo prototipo progettato e costruire un modello di volo da implementare su elicotteri e velivoli ad ala fissa.
Ulteriori informazioni: Essam Heggy et al, Airborne Sounding Radar for Desert Subsurface Exploration of Aquifers:Desert-SEA:Mission concept study [Space Agencies], IEEE Geoscience and Remote Sensing Magazine (2024). DOI:10.1109/MGRS.2023.3338512
Fornito dalla University of Southern California
