Наука отслеживания нашего самого ценного ресурса: воды — журнал Калифорнийского технологического института

Oct 31, 2023

Ученые и инженеры Калифорнийского технологического института в кампусе и в Лаборатории реактивного движения, которой Калифорнийский технологический институт управляет для НАСА, используют спутники и сейсмические мониторы для отслеживания самого важного ресурса планеты — воды — и строят миниатюрные речные системы в лаборатории, чтобы расширить понимание обществом круговорота воды в условиях изменения климата. , засухи и лесные пожары.

В июле этого года новости были переполнены сообщениями о европейских городах и деревнях, опустошенных катастрофическим наводнением. Бушующие воды накрыли дома, вырвали с корнем деревья и превратили дороги в реки грязи и мусора. Просматривая изображения из своего дома в Пасадене, Кристиан Франкенберг заметил знакомые места своего детства. Он вырос недалеко от немецкого города Бонн, примерно в дюжине миль от долины Ар, пышного винодельческого региона, который пострадал от наводнения.

«В детстве я несколько раз гулял по этому району, поэтому он буквально поразил меня», - говорит Франкенберг, который одновременно является профессором экологических наук и инженерии и научным сотрудником Лаборатории реактивного движения. «Это узкая маленькая долина, поэтому она всегда была подвержена наводнениям, но не до такой степени. Уровень воды был где-то на два метра выше, чем предыдущий самый высокий уровень воды. Я подумал: «Это безумие».

Франкенберг воспринял новость о наводнении с тревогой, но без особого удивления. В конце концов, он исследует, как глобальный углеродный цикл Земли взаимодействует с водным циклом и находится под его влиянием, а также путь, по которому движется вода, перемещаясь между океаном, сушей и атмосферой. Эта работа помогает продемонстрировать, как частота экстремальных погодных явлений увеличивается из-за изменения климата. По мере того, как в одних районах наводнения становятся сильнее, а ураганы усиливаются, в других усиливаются засухи, и предзнаменование нехватки пресной воды становится одной из определяющих проблем 21 века.

Аспирант Натан Джонс (слева) и Руби Фу, доцент кафедры машиностроения и гражданского строительства (справа), используют краситель для анализа динамики жидкости в воде, когда она течет через созданный в лаборатории снег. Фото: Лэнс Хаяшида/Калифорнийский технологический институт.

Франкенберг старается не слишком поддаваться влиянию климатических новостей, но научная объективность может быть неуловимой, когда паводковые воды затопляют вашу детскую площадку или когда ваш родной штат ведет непрерывную борьбу с лесными пожарами, усугубляемыми хронической засухой и нехваткой воды. По всему Калифорнийскому технологическому институту ученые и инженеры кампуса и Лаборатории реактивного движения, которые измеряют и контролируют уровень воды на планете, оказываются в похожем положении.

Марк Саймонс, профессор геофизики Джона В. и Герберты М. Майлз и главный научный сотрудник Лаборатории реактивного движения, и его команда использовали спутниковый радар, чтобы отслеживать, как земля в Южной Калифорнии поднимается и опускается, как дышащий гигант, когда вода закачивается туда и обратно. водоносные горизонты. «Моим главным интересом было понимание того, что заставляет Землю двигаться в разных временных масштабах, и лежащую в основе механику, которая контролирует это движение», — говорит он. «Но это пример того, как то, что я умею делать, потенциально может быть полезно обществу».

Подстегиваемые любопытством и свежим чувством безотлагательности, исследователи из подразделений Института, включая Лабораторию реактивного движения, а также из междисциплинарных проектов, таких как Институт устойчивого развития Резника (RSI), используют все имеющиеся в их распоряжении инструменты для изучения и отслеживания воды на Земле, а также для понимания огромных энергий. и материалы, которые переносит вода. Их исследования опираются на спутники в космосе и оптические волокна глубоко под землей, на современное компьютерное моделирование и миниатюрные, построенные в лаборатории реки. Их результаты заполняют пробелы в наших знаниях о гидрологическом цикле Земли и улучшают управление нашим самым ценным ресурсом.

Их открытия также могут помочь нам подготовиться к предстоящим бурным десятилетиям.

Вода является основным фактором, влияющим на экстремальные погодные явления, связанные с изменением климата. «Это рассматривается как один из доминирующих факторов глобального потепления в будущем», — говорит Франкенберг. «В идеале, с помощью новых климатических моделей мы можем получить более точные статистические оценки того, как экстремальные явления могут измениться в будущем».