Lichtwellenleiter misst Bodenfeuchtigkeit
California Institute of Technology: Besseres Wasser-Management für höhere Ernteerträge
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Straßenverkehr: Dieser ermöglicht die Messung der Bodenfeuchtigkeit (Foto: Sabine, pixabay.com) |
Pasadena (pte003/07.08.2024/06:05)
Forscher um Xiaojing (Ruby) Fu und Zhongwen Zhan vom California Institute of Technology haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sich das Wasserangebot an Pflanzen breitflächig bestimmen lässt - und das ganz ohne Probenahme. Die beiden Experten nutzen eine Technik, mit der sich normalerweise Bodenschätze aufspüren lassen. Künstliche Vibrationen, die in die Erde geleitet werden, breiten sich dort aus und werden selektiv reflektiert. Daraus lassen sich Verwerfungen in der Tiefe lokalisieren und erkennen, die wiederum Indizien für das Vorhandensein etwa von Erdöl sein können.
Wellen verändern Lichtleitfähigkeit
Fu und Zhan haben sich jedoch mit natürlichen Vibrationen begnügt, die der Straßenverkehr verursacht, und Lichtwellenleitern (LWL), die ohnehin in der Erde liegen, um Daten zu übertragen. In diese leiteten sie zusätzlich Licht ein und maßen, was am anderen Ende herauskam. Vibrationen sorgen für winzige wellenförmige Bewegungen des LWL, die die Lichtdurchlässigkeit des Kabels verändern. Diese lässt sich messen. Die Vibrationen breiten sich zudem unterschiedlich aus, je nachdem, wie viel Wasser die Schicht zwischen Oberfläche und dem Grundwasser enthält. Aus all diesen Variablen lässt sich die Bodenfeuchtigkeit errechnen.
Nach dem Erdbeben der Stärke 7,2 im kalifornischen Ridgecrest im Jahr 2019, richtete Zhan eine LWL-Messstation zur Erfassung von Nachbeben ein, indem er ein nahe liegendes Kabel zweckentfremdete. In Zusammenarbeit mit Fu erkannte er schnell, dass sich das Array auch verwenden lässt, um zu messen, wie sich alltägliche unterirdische Vibrationen in Abhängigkeit vom Wassergehalt des Bodens verändern.
Datensammlung dauerte fünf Jahre
Fünf Jahre lang sammelte das Team Daten und erstellte Modelle, um zu veranschaulichen, wie sich die Feuchtigkeit in der beobachteten Zone im Laufe der Zeit verändert. Es fand heraus, dass die Feuchtigkeit während der historischen Dürre in Kalifornien von 2019 bis 2022 dort mit einer Rate von 0,25 Metern pro Jahr abnahm.
"Von den obersten 20 Metern des Bodens in der Ridgecrest-Region können wir auf die gesamte Mojave-Wüste hochrechnen", sagt Yan Yang, Doktorand der Geophysik. Die Möglichkeit, die Feuchtigkeit in Echtzeit zu messen, ist für die Steuerung der Wassernutzung und die Bemühungen zur Wassereinsparung von entscheidender Bedeutung.
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