Die Wissenschaft der Verfolgung unserer wertvollsten Ressource: Wasser – Caltech Magazine

Oct 31, 2023

Caltech-Wissenschaftler und -Ingenieure auf dem Campus und am JPL, das Caltech für die NASA verwaltet, nutzen Satelliten und seismische Monitore, um die wichtigste Ressource des Planeten – Wasser – zu verfolgen und bauen im Labor Miniaturflusssysteme, um das Verständnis der Gesellschaft über den Wasserkreislauf inmitten des Klimawandels zu erweitern , Dürren und Waldbrände.

Im vergangenen Juli waren die Nachrichten überschwemmt mit Berichten über europäische Städte und Dörfer, die von einer katastrophalen Überschwemmung verwüstet wurden. Das tosende Wasser erfasste Häuser, entwurzelte Bäume und verwandelte Straßen in Flüsse aus Schlamm und Schutt. Als Christian Frankenberg die Bilder von seinem Zuhause in Pasadena aus betrachtete, entdeckte er vertraute Orte aus seiner Kindheit. Er wuchs in der Nähe der deutschen Stadt Bonn auf, etwa zwölf Meilen vom Ahrtal entfernt, einem üppigen Weinanbaugebiet, das einige der schlimmsten Überschwemmungsschäden erlitten hat.

„Als Kind bin ich einige Male durch die Gegend gewandert, daher hat es mich buchstäblich beeindruckt“, sagt Frankenberg, der gleichzeitig als Professor für Umweltwissenschaften und -technik und als Forschungswissenschaftler am JPL tätig ist. „Es ist ein enges kleines Tal, daher war es immer anfällig für Überschwemmungen, aber nicht in diesem Ausmaß. Der Wasserstand war etwa zwei Meter höher als der bisher höchste Wasserstand. Ich dachte: ‚Das ist verrückt.‘“

Frankenberg nahm die Nachricht von den Überschwemmungen mit Bestürzung, aber wenig Überraschung auf. Schließlich erforscht er, wie der globale Kohlenstoffkreislauf der Erde mit dem Wasserkreislauf der Erde interagiert und von diesem beeinflusst wird, also dem Weg, dem das Wasser folgt, wenn es sich zwischen Ozean, Land und Atmosphäre bewegt. Diese Arbeit hilft zu zeigen, wie die Häufigkeit extremer Wetterereignisse aufgrund des Klimawandels zunimmt. Während die Überschwemmungen in manchen Gebieten stärker werden und die Hurrikane stärker werden, verschlimmern sich die Dürren in anderen – ein Zeichen dafür, dass die Süßwasserknappheit zu einem der bestimmenden Probleme des 21. Jahrhunderts wird.

Der Doktorand Nathan Jones (links) und Ruby Fu, Assistenzprofessorin für Maschinenbau und Bauingenieurwesen (rechts), analysieren mithilfe von Farbstoffen die Fluiddynamik von Wasser, während es durch im Labor erzeugten Schnee fließt. Bildnachweis: Lance Hayashida/Caltech

Frankenberg versucht, sich nicht zu sehr von Klimanachrichten beeinflussen zu lassen, aber wissenschaftliche Objektivität kann schwer zu erreichen sein, wenn Überschwemmungen den Spielplatz Ihrer Kindheit überschwemmen oder wenn Ihr Heimatstaat einen ständigen Kampf gegen Waldbrände führt, die durch chronische Dürrebedingungen und Wasserknappheit verschärft werden. Wissenschaftler und Ingenieure am Caltech, auf dem Campus und am JPL, die das Wasser des Planeten messen und überwachen, befinden sich in einer ähnlichen Situation.

Mark Simons, John W. und Herberta M. Miles-Professor für Geophysik und leitender Wissenschaftler des JPL, und sein Team haben mithilfe von Satellitenradar verfolgt, wie sich der Boden in Südkalifornien wie ein atmender Riese hebt und senkt, während Wasser hinein- und herausgepumpt wird Grundwasserleiter. „Mein Hauptinteresse bestand darin, zu verstehen, was die Bewegung der Erde über verschiedene Zeitskalen hinweg bewirkt und welche Mechanismen dieser Bewegung zugrunde liegen“, sagt er. „Aber dies ist ein Beispiel dafür, dass das, was ich zu tun weiß, möglicherweise für die Gesellschaft nützlich sein kann.“

Angetrieben von Neugier und einem neuen Gefühl der Dringlichkeit nutzen Forscher aus den Abteilungen des Instituts, darunter JPL, und aus interdisziplinären Unternehmungen wie dem Resnick Sustainability Institute (RSI) jedes ihnen zur Verfügung stehende Werkzeug, um das Wasser der Erde zu untersuchen und zu verfolgen und die enormen Energien zu verstehen und Materialien, die Wasser transportiert. Ihre Forschung stützt sich auf Satelliten im Weltraum und Glasfasern tief unter der Erde, auf fortschrittliche Computersimulationen und im Labor gebaute Miniaturflüsse. Ihre Erkenntnisse schließen Lücken in unserem Wissen über den Wasserkreislauf der Erde und verbessern die Bewirtschaftung unserer wertvollsten Ressource.

Ihre Entdeckungen könnten uns auch dabei helfen, uns auf die turbulenten Jahrzehnte vorzubereiten, die kommen.

Wasser ist ein Hauptfaktor, der die mit dem Klimawandel verbundenen extremen Wetterereignisse beeinflusst. „Es wird als einer der Haupttreiber der globalen Erwärmung in der Zukunft angesehen“, sagt Frankenberg. „Im Idealfall können wir mit neuen Klimamodellen bessere statistische Schätzungen darüber erstellen, wie sich Extremereignisse in der Zukunft verändern könnten.“

Frankenberg trägt durch seine Arbeit mit der Climate Modeling Alliance (CliMA), zu der Wissenschaftler, Ingenieure und Mathematiker vom Campus, JPL, MIT und der Naval Postgraduate School gehören, zum Aufbau einer dieser Klimasimulationen der nächsten Generation bei. CliMA zielt darauf ab, ein neuartiges Modell des Lands, der Ozeane und der Atmosphäre der Erde zu erstellen, das weltraum- und bodengestützte Planetenbeobachtungen nutzt, um Dürren, Hitzewellen und extreme Regenfälle genauer als je zuvor vorherzusagen.

Die Arbeit der CliMA-Gruppe zeigt, warum genaue Klimavorhersagen ein tiefes Verständnis darüber erfordern, wie sich der Klimawandel auf den Wasserkreislauf auswirkt und umgekehrt. Beispielsweise können Veränderungen im Wasserkreislauf zu Veränderungen der Wolkendecke in der Atmosphäre und der Schneedecke am Boden führen, die sich beide auf die Albedo oder das Oberflächenreflexionsvermögen der Erde auswirken. Eine höhere Albedo bedeutet, dass mehr Sonnenstrahlung in den Weltraum reflektiert wird, was zur Abkühlung des Planeten beiträgt.

Die Vernetzung der globalen Kohlenstoff- und Wasserkreisläufe ist ein weiterer Teil dieser Forschung. Im März veröffentlichten Frankenberg und der ehemalige Caltech-Postdoktorand Vincent Humphrey in Nature einen Artikel, der zeigt, wie die im Boden vorhandene Wassermenge die Oberflächentemperatur und -feuchtigkeit beeinflusst, was wiederum die Fähigkeit der Pflanzen beeinflusst, Kohlendioxidemissionen zu absorbieren. „Hier haben wir einen schlagenden Beweis“, sagt Humphrey über den Befund. „Wir können mit Sicherheit sagen, dass die Bodenfeuchtigkeit eine entscheidende Rolle bei der jährlichen Veränderung der vom Land aufgenommenen Kohlenstoffmenge spielt.“

Jeden Sommer schmilzt der Schnee, der sich im Winter auf den Bergen der kalifornischen Sierra Nevada angesammelt hat, langsam. Wasser sickert in Bäche, Flüsse und Stauseen, um Bauernhöfe im fruchtbaren Central Valley des Bundesstaates zu bewässern, wo ein Großteil der Früchte, Nüsse und Gemüse des Landes angebaut werden, und um Millionen von Menschen von der San Francisco Bay Area bis in den Süden mit Trinkwasser zu versorgen Kalifornien.

Der gleiche alpine Prozess findet auf der ganzen Welt statt, um Milliarden von Menschen mit Wasser zu versorgen. Dennoch ist das wissenschaftliche Bild der Schneeschmelze unvollständig.

„Ein Großteil der bisher durchgeführten Schneeforschung dreht sich um die Beobachtung von Schnee aus dem Weltraum“, sagt Ruby Fu, Assistenzprofessorin für Maschinenbau und Bauingenieurwesen. „Aber das ergibt nur ein zweidimensionales Bild. Es ist wirklich schwierig, die Schneehöhe vom Weltraum aus zu überwachen, aber diese Tiefe ist die Dimension, in der ein erheblicher Teil der Schneedeckenhydrologie stattfindet.“

Im Jahr 2013 startete JPL eine Flugmission, um mit Fernsensoren ausgestattete Flugzeuge über die Sierra Nevada zu fliegen, um zu messen, wie viel Wasser die Berge enthalten, und um diese Daten den Wassermanagern zur Verfügung zu stellen. Das Projekt war so erfolgreich, dass es in ein eigenes Unternehmen, Airborne Snow Observatories, ausgegliedert wurde. Nun möchte Fus Team das gleiche Problem auf einer grundlegenderen Ebene angehen. „Ich beschäftige mich mit der Physik der Schneedecke und versuche zu verstehen, wie der Schnee in der Sierra Nevada schmilzt und wie er zu unseren hydrologischen Systemen in Kalifornien beiträgt“, sagt sie.

Um dies zu erreichen, wird Fus Gruppe im Labor eine Miniaturschneedecke erstellen und diese dann beim Schmelzen untersuchen. „Es ist eines der verrücktesten Dinge, zu denen ich mich je entschieden habe“, sagt Fu. Eine einfache Version des Experiments wäre, den Schnee durch einen Eisblock zu ersetzen, aber wie Fu erklärt: „Ein Eisblock, der schmilzt, ist wie Karamell, das im Mund schmilzt. Es ist etwas anderes, als einer Schneedecke beim Schmelzen zuzusehen, denn ein Eisblock ist es.“ nicht porös wie Schnee.

Stattdessen plant sie, einzelne Eispartikel zu erzeugen und diese zu einem Haufen schneeähnlicher Strukturen anzusammeln, die genauer darstellen können, was passiert, wenn Schmelzwasser durch eine Schneedecke sickert und dabei die Schneestruktur verändert.

„Ich dachte, es wäre wirklich nützlich, wenn wir im Labor eine Schneedecke nachbilden und ihr tatsächlich beim Schmelzen zusehen und dann den Schmelzprozess modellieren könnten“, sagt Fu. „Ein besseres Vorhersagemodell dafür, wie eine Schneedecke zu Wasser wird, könnte zu einer besseren Wasserkontrolle in Echtzeit durch Wassermanager führen, die wissen müssen, wie viel Schmelzwasser zu erwarten ist.“

Professor für Geologie Mike Lamb überwacht die Arbeit im Caltech Earth Surface Dynamics Laboratory, wo sein Team künstliche Flüsse baut, um natürliche Prozesse zu simulieren. Bildnachweis: Lance Hayashida/Caltech

Fu ist nicht der Einzige, der daran arbeitet, im Labor natürliche Umgebungen zu schaffen. In einem 4.000 Quadratmeter großen Lagerhaus namens Caltech Earth Surface Dynamics Laboratory, auch bekannt als Flume Lab, das sich im südwestlichen Teil des Campus befindet, fließt ein Modellfluss in Richtung eines Miniaturozeans. Vom Wasser getragene Sedimente setzen sich am Grund des Flusses ab und lagern sich an seiner Mündung ab, um ein bekanntes fächerförmiges Delta zu bilden. Aber während es Hunderte von Jahren dauern kann, bis sich ein echtes Delta bildet, beginnt dieses erst nach Monaten zu erscheinen.

Das ist Hydrologie im Kleinen. Das künstliche Delta ist an seiner breitesten Stelle nur ein bis zwei Meter breit, und der kleine Fluss, der es speist, ist etwa 15 Zentimeter breit, 1 Zentimeter tief und 5 bis 6 Meter lang. Das gesamte Flusssystem wurde vom Professor für Geologie Mike Lamb und seiner Gruppe im Flume Lab sorgfältig gestaltet. „Wir haben Gerinne, die denen ähneln, die man vielleicht in Wissenschaftsmuseen gesehen hat, wo man mit Wasser und Sedimenten spielen kann, aber auf einem anspruchsvolleren Niveau“, sagt er.

Lambs maßgeschneiderter Wasserweg ermöglicht es seiner Gruppe, die Entwicklung eines Deltas schneller zu beobachten, aber der Prozess dauert immer noch sechs Monate oder länger. „Obwohl wir die Zeit beschleunigen können, können wir sie nicht zu sehr beschleunigen, weil wir versuchen, die Physik zu untersuchen, wie Wasser fließt und wie sich Sedimente in diesen Systemen bewegen. Wenn wir sie zu schnell laufen lassen, beginnen wir zu verletzen.“ die Bedingungen, die in der Natur vorkommen“, sagt er.

Lambs Gruppe nutzt diese künstlichen Wasserkanäle, um Prozesse zu untersuchen, beispielsweise wenn ein Fluss seinen Lauf ändert, was als Abriss bezeichnet wird. Ein Flussabriss tritt normalerweise auf, wenn eine Ansammlung von Sedimenten das Flussbett im Verhältnis zum Nachbarland anhebt und den Fluss instabil macht. „Unsere künstlichen Deltas zeigen ein ähnliches Verhalten wie das, was wir in der Natur sehen“, sagt Lamb. „Ein Flusskanal verläuft in eine Richtung zum Meer, wird aber irgendwann instabil und verliert seinen Kurs. Das ist ein Abriss.“

Es ist wichtig, Abrisse zu verstehen, da diese Kurskorrekturen plötzlich und heftig sein und katastrophale Überschwemmungen wie die Überschwemmung am Gelben Fluss im Jahr 1887 und die Überschwemmungen in China im Jahr 1931 auslösen können, bei denen schätzungsweise insgesamt 6 Millionen Menschen ums Leben kamen. Durch die Modellierung von Ausrissen im Labor hofft Lamb zu verstehen, wie sie passieren, wo sie als nächstes auftreten könnten und wie sie durch den Klimawandel beeinflusst werden könnten.

Beispielsweise untersuchte eines der neuesten Experimente der Gruppe, das letzten Sommer in der Zeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences ausführlich beschrieben wurde, wie sich ein steigender Meeresspiegel auf Flussabrisse auswirkt. „Theorien gehen davon aus, dass die Häufigkeit von Abrissen mit steigendem Meeresspiegel zunimmt und dass sich die Abrissorte unter bestimmten Bedingungen flussaufwärts verschieben“, erklärt Lamb. „Diese Ergebnisse bestätigen sich in unserem Experiment, daher sind wir zuversichtlich, dass unsere Computermodelle die Physik richtig hinbekommen.“ Lamb arbeitet auch an realen Deltas als Co-Forscher am Delta-X-Projekt des JPL, das das Mississippi-Delta als natürliches Labor nutzt. Unter der Leitung des JPL-Wissenschaftlers Marc Simard kombiniert Delta-X luftgestützte Fernerkundung mit Messungen am Boden, um das Wasser, die Vegetation und die Sedimente des Deltas zu untersuchen. Obwohl die luftgestützten Instrumente die gesamte Sedimentkonzentration erkennen können, dringen sie nicht in das Wasser ein, um Sedimente in der Nähe des Flussbetts zu erkennen.

Hier kommt Lambs Team ins Spiel. „Wir führen Bodenuntersuchungen durch. Wir fahren mit einem Boot hinaus, messen Wasser- und Sedimentflüsse und vergleichen diese mit den Fernerkundungsdaten“, sagt er.

Ziel dieser Forschung ist es, vorherzusagen, wie das Mississippi-Delta auf einen steigenden Meeresspiegel reagieren wird, herauszufinden, welche Gebiete am anfälligsten für Stürme sind und vorherzusagen, welche Teile des Deltas wachsen oder verschwinden werden. „Der Mississippi wurde nicht von einem Bulldozer gegraben“, sagt Lamb. „Es hat eine bestimmte Größe und Tiefe und schlängelt sich durch die Landschaft, und ein Großteil davon wird davon bestimmt, wie das Wasser Sedimente bewegt und wo die Sedimente landen.“

Die Geschichte des 21. Jahrhunderts im amerikanischen Westen ist zu einer Geschichte der Dürre geworden. Die letzten 20 Jahre waren die trockenste 20-Jahres-Periode seit dem 16. Jahrhundert in der Region, die sich von Oregon bis Mexiko in Nord-Süd-Richtung und von Kalifornien bis Colorado von West nach Ost erstreckte. Auf eine schwere Dürreperiode Anfang der 2000er Jahre folgte ein Rekordverdacht

Dürren in den Jahren 2012 und 2016. Der Westen steckt auch dieses Jahr erneut in einer Dürre, und jedes neue Jahr birgt die Möglichkeit einer extremen Waldbrandsaison, die durch den Mangel an Niederschlägen noch verschlimmert wird.

„Während der Untersuchung dieser Dürren hat die NASA zwei Dinge erkannt: dass wir wirklich gut in den Griff bekommen können, was aus dem Weltraum passiert, und dass dies der Beginn von etwas Größerem ist“, sagt JT Reager, ein Forscher in der Abteilung Oberflächenhydrologie des JPL Gruppe. In den letzten Jahrzehnten gehörten NASA-Wissenschaftler zu denen, die gezeigt haben, dass dieselben Faktoren, die die Erdatmosphäre verändern, auch ihren Wasserkreislauf verändern. Die Agentur hat auf diese Informationen mit dem Start einer Reihe von Satelliten reagiert, die nun das Rückgrat der Fähigkeit der Wissenschaft bilden, das Wasser auf dem Planeten zu verfolgen.

Caltech-Postdoktorand Gerard Salter holt einen Wasserprobennehmer aus dem Wax Lake Delta, während Caltech-Doktorand Justin Nghiem (MS '21) den Probenbeutel vorbereitet. Im Rahmen des vom JPL geleiteten Delta-X-Projekts werden Proben auf suspendierte mineralische Sedimente und partikulären Kohlenstoff analysiert, um den Landverlust in der Mississippi-Delta-Region vorherzusagen. Bildnachweis: Mike Lamb

„Wir strömen jetzt mehr Informationen über das Wasser ein als jemals zuvor in der Geschichte der Menschheit“, sagt Reager. „Die NASA hat mehrere Satelliten im Einsatz und einige weitere werden in den nächsten fünf bis zehn Jahren starten.“ Dazu gehört eine Mission zur Untersuchung und Verfolgung von Regen und Schneefall, Oberflächengewässern und Dürre. „JPL verfügt über eine Beobachtung nahezu aller Komponenten und aller Flüsse des Wasserkreislaufs“, sagt Reager.

Die NASA generiert so viele Daten über Wasser, dass es zu einer großen Herausforderung geworden ist, die vielen Informationsströme in einem einzigen Zufluss zu integrieren, um daraus nützliche und umsetzbare Erkenntnisse zu gewinnen. „Das ist es, was wir den ganzen Tag tun: Überlegen Sie, wie wir verschiedene Datensätze verbinden können“, sagt Reager. Er arbeitet mit Fu und anderen auf dem Campus an einem Projekt zusammen, das Datenwissenschaft und maschinelles Lernen nutzt, um verschiedene Datensätze nahtlos zu kombinieren, unabhängig davon, ob sie von Satelliten, Flugzeugen oder Booten erfasst werden.

In Zukunft könnten einige dieser Daten von überraschenden Orten stammen. Beispielsweise möchte der Assistenzprofessor für Geophysik Zhongwen Zhan (MS '08, PhD '13) Wasser mithilfe unterirdischer optischer Fasern untersuchen, die ursprünglich für die Kommunikation verlegt wurden und die er zuvor zur Untersuchung von Erdbeben verwendet hat. Zhans Team wird eine neue Technologie namens Distributed Acoustic Sensing (DAS) verwenden, um das Grundwasser unter dem Owens Lake in Kalifornien zu überwachen, einem größtenteils ausgetrockneten See, den der Staat durch Wiederauffüllung des darunter liegenden Grundwasserbeckens wiederbeleben möchte. DAS wird Glasfaserkabel rund um den See in empfindliche seismische Arrays umwandeln, mit denen Wissenschaftler die Injektion, Entnahme und Bewegung von Grundwasser unter dem See messen können.

„Wir wollen sehen, ob wir all diese Daten grundsätzlich in einen Topf werfen und versuchen können, einige kritische Fragen zu verstehen“, sagt Simons. Wie können Wissenschaftler beispielsweise Wasser leiten und verfolgen, das wieder in den Boden eingespritzt wurde? Können wir unser Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Grund- und Oberflächenwasser verbessern, damit wir lernen können, wie wir unterirdische Reservoire am besten auffüllen können?

Beide Bemühungen zur Kombination verschiedener Wasserdatensätze – das DAS-Überwachungsprojekt und die Schneedeckenforschung von Fu – werden durch Startkapitalzuschüsse von RSI finanziert, das die globale Nachhaltigkeit durch transformative Wissenschaft, Technik und Bildung vorantreibt. „RSI ist daran interessiert, die grundlegenden wissenschaftlichen und technischen Grundlagen zu verstehen, die uns dabei helfen können, zu einer nachhaltigeren Gesellschaft voranzukommen, und es ist klar, dass ein Aspekt der Nachhaltigkeit der Zugang zu frischem Wasser zum Trinken, in der Landwirtschaft und für andere Zwecke ist“, sagt Simons, der Leiter RSIs Wasserressourcen-Initiative.

Als ausgebildeter Geophysiker folgte Simons einem verschlungenen Weg, um Wasser zu erforschen. „Wenn wir uns diese Messungen der Erde ansehen, ist es unumgänglich, dass das dominierende Signal manchmal nicht die Tektonik, sondern die Hydrologie ist“, sagt er. Simons versucht nun, Technologien, die er zur Untersuchung von Erdbeben und anderen seismischen Ereignissen verwendet hat, an seine Wasseruntersuchungen anzupassen. Für eine Studie aus dem Jahr 2018 nutzte sein Team beispielsweise eine Satellitenradartechnologie namens Interferometrisches Radar mit synthetischer Apertur (InSAR), um Geländeveränderungen im Los Angeles Basin und im Santa Ana Coastal Basin zu verfolgen, die durch das Pumpen von Wasser aus dem Boden verursacht wurden. Sein Team nutzt nun dieselbe Technologie, um Geländeveränderungen zu untersuchen, die durch Grundwasserpumpen im San Gabriel Valley verursacht werden, wo sich Campus und Labor befinden. Die Daten werden an lokale Wasserbehörden weitergegeben, um ihnen zu helfen, ihre Grundwasserleiter besser zu verstehen.

„Wir sind keine Wassermanager“, sagt Simons. „Alles, was wir sagen können, ist: ‚Hier sind einige Beobachtungen zu Ihren Wasserressourcen. Nehmen Sie das jetzt und integrieren Sie es in Ihren Entscheidungsprozess.‘“

Simons sieht noch mehr Möglichkeiten für Forschungsbemühungen auf dem Campus und im Labor, um zu informieren, wie Wasser auf der ganzen Welt verwaltet und überwacht wird. „Wenn wir den Menschen in Entwicklungsländern helfen können, ihre Grundwasserleiter besser zu verstehen, ist das genauso wichtig wie das, was wir an einem Ort wie Kalifornien tun, wo es eine Vielzahl anderer Ressourcen gibt, die zum Verständnis des Grundwasserleitersystems genutzt werden können.“ er addiert. „Meine Hoffnung und meine Absicht ist es, dass wir eine globale Perspektive einnehmen, um diese Herausforderungen im Bereich Nachhaltigkeit anzugehen.“