La ciencia de rastrear nuestro recurso más preciado: el agua — Revista Caltech

Oct 31, 2023

Los científicos e ingenieros de Caltech en el campus y en el JPL, que Caltech administra para la NASA, usan satélites y monitores sísmicos para rastrear el recurso más importante del planeta, el agua, y construyen sistemas fluviales en miniatura en el laboratorio para ampliar la comprensión de la sociedad sobre el ciclo del agua en medio del cambio climático. , sequías e incendios forestales.

En julio pasado, las noticias estaban inundadas de informes de ciudades y pueblos europeos devastados por una inundación catastrófica. Las aguas embravecidas envolvieron casas, arrancaron árboles y convirtieron las carreteras en ríos de lodo y escombros. Mientras miraba las imágenes desde su casa en Pasadena, Christian Frankenberg vio lugares familiares de su infancia. Creció cerca de la ciudad alemana de Bonn, a unos doce kilómetros del valle de Ahr, una exuberante región vitivinícola que sufrió algunos de los peores daños por inundaciones.

"Recorrí el área varias veces cuando era niño, así que literalmente me llamó la atención", dice Frankenberg, quien tiene un nombramiento conjunto como profesor de ciencias ambientales e ingeniería y científico investigador del JPL. "Es un pequeño valle angosto, por lo que siempre ha sido propenso a las inundaciones, pero no a este grado. El nivel del agua era como dos metros más alto que el nivel de agua más alto anterior. Pensé: 'Esto es una locura'".

Frankenberg absorbió la noticia de las inundaciones con consternación pero poca sorpresa. Después de todo, él investiga cómo el ciclo global del carbono de la Tierra interactúa con el ciclo del agua y se ve influenciado por él, el camino que sigue el agua a medida que se mueve entre el océano, la tierra y la atmósfera. Este trabajo ayuda a demostrar cómo la frecuencia de los fenómenos meteorológicos extremos está aumentando debido al cambio climático. A medida que aumentan las inundaciones y los huracanes en algunas áreas, las sequías empeoran en otras, un presagio de la escasez de agua dulce que se convierte en uno de los problemas definitorios del siglo XXI.

El estudiante de posgrado Nathan Jones (izquierda) y Ruby Fu, profesor asistente de ingeniería mecánica y civil (derecha), usan tinte para analizar la dinámica de fluidos del agua a medida que fluye a través de la nieve creada en el laboratorio. Crédito: Lance Hayashida/Caltech

Frankenberg trata de no verse demasiado afectado por las noticias climáticas, pero la objetividad científica puede ser esquiva cuando las inundaciones inundan el patio de recreo de su infancia o cuando su estado natal libra una batalla continua contra los incendios forestales exacerbados por las condiciones crónicas de sequía y la escasez de agua. En Caltech, los científicos e ingenieros del campus y del JPL que miden y monitorean el agua del planeta se encuentran en un lugar similar.

Mark Simons, profesor de geofísica John W. y Herberta M. Miles y científico jefe del JPL, y su equipo han utilizado un radar satelital para rastrear cómo el suelo en el sur de California sube y baja como un gigante que respira a medida que el agua se bombea hacia adentro y hacia afuera. acuíferos. "Mi principal interés era comprender qué hace que la Tierra se mueva en diferentes escalas de tiempo y la mecánica subyacente que controla este movimiento", dice. "Pero este es un ejemplo en el que lo que sé hacer puede ser potencialmente útil para la sociedad".

Estimulados por la curiosidad y un nuevo sentido de urgencia, los investigadores de las divisiones del Instituto, incluido el JPL, y de esfuerzos interdisciplinarios como el Resnick Sustainability Institute (RSI) utilizan todas las herramientas a su disposición para estudiar y rastrear el agua de la Tierra y comprender las vastas energías y materiales que transporta el agua. Su investigación se basa en satélites en el espacio y fibras ópticas en las profundidades del subsuelo, en simulaciones informáticas avanzadas y ríos en miniatura construidos en laboratorio. Sus hallazgos están llenando vacíos en nuestro conocimiento del ciclo hidrológico de la Tierra y mejorando la gestión de nuestro recurso más preciado.

Sus descubrimientos también podrían ayudarnos a prepararnos para las tumultuosas décadas por venir.

El agua es un factor primario que afecta los eventos climáticos extremos relacionados con el cambio climático. "Es visto como uno de los impulsores dominantes del calentamiento global en el futuro", dice Frankenberg. "Idealmente, con nuevos modelos climáticos podemos producir mejores estimaciones estadísticas sobre cómo podrían cambiar los eventos extremos en el futuro".

Frankenberg está ayudando a construir una de esas simulaciones climáticas de próxima generación a través de su trabajo con Climate Modeling Alliance (CliMA), que incluye a científicos, ingenieros y matemáticos del campus, JPL, MIT y la Escuela Naval de Posgrado. CliMA tiene como objetivo construir un nuevo tipo de modelo de la tierra, los océanos y la atmósfera de la Tierra que utilice observaciones planetarias basadas en el espacio y en tierra para predecir sequías, olas de calor y eventos de lluvias extremas con más precisión que nunca.

El trabajo del grupo CliMA demuestra por qué los pronósticos climáticos precisos requieren una comprensión profunda de cómo el cambio climático afecta el ciclo del agua y viceversa. Por ejemplo, los cambios en el ciclo del agua pueden generar cambios en la capa de nubes en la atmósfera y la capa de nieve en el suelo, los cuales afectan el albedo de la Tierra o la reflectividad de la superficie. Un albedo más alto significa que se refleja más radiación solar en el espacio, lo que ayuda a enfriar el planeta.

La conexión de los ciclos globales del carbono y el agua es otra parte de esta investigación. En marzo, Frankenberg y el ex becario postdoctoral de Caltech, Vincent Humphrey, publicaron un artículo en Nature que muestra cómo la cantidad de agua presente en el suelo afecta la temperatura y la humedad de la superficie, lo que a su vez afecta la capacidad de las plantas para absorber las emisiones de dióxido de carbono. "Aquí tenemos una prueba irrefutable", dice Humphrey sobre el hallazgo. "Podemos decir con confianza que la humedad del suelo juega un papel dominante en el cambio anual que vemos en la cantidad de carbono absorbido por la tierra".

Cada verano, la nieve que se ha acumulado en la cima de las montañas de Sierra Nevada de California durante el invierno se derrite lentamente. El agua se escurre hacia los arroyos, ríos y embalses para regar las granjas en el fértil Valle Central del estado, donde se cultiva gran parte de las frutas, nueces y verduras del país, y para proporcionar agua potable a millones de personas desde el Área de la Bahía de San Francisco hasta el Sur. California.

Este mismo proceso alpino ocurre en todo el mundo para proporcionar agua a miles de millones de personas. Sin embargo, la imagen científica del deshielo es incompleta.

"Gran parte de la ciencia de la nieve que se ha hecho se trata de observar la nieve desde el espacio", dice Ruby Fu, profesor asistente de ingeniería mecánica y civil. "Pero eso solo te da una imagen en 2D. Es realmente un desafío monitorear la profundidad de la nieve desde el espacio, pero esa profundidad es la dimensión donde tiene lugar una parte importante de la hidrología de la capa de nieve".

En 2013, JPL lanzó una misión aérea para volar aviones equipados con sensores remotos sobre Sierra Nevada para medir la cantidad de agua que contienen las montañas y proporcionar estos datos a los administradores del agua. El proyecto tuvo tanto éxito que se convirtió en su propia empresa, Airborne Snow Observatories. Ahora el equipo de Fu quiere abordar el mismo problema a un nivel más fundamental. "Estoy analizando la física de la capa de nieve y tratando de entender cómo se derrite la nieve en Sierra Nevada y cómo contribuye a nuestros sistemas hidrológicos en California", dice.

Para lograr esto, el grupo de Fu creará una capa de nieve en miniatura en el laboratorio y luego la estudiará mientras se derrite. "Es una de las cosas más locas que he decidido hacer", dice Fu. Una versión simple del experimento sería sustituir la nieve por un bloque de hielo, pero como explica Fu, "un bloque de hielo derritiéndose es como caramelo derritiéndose en la boca. Es diferente a ver cómo se derrite una capa de nieve, porque un bloque de hielo es no es porosa como la nieve".

En cambio, planea crear partículas de hielo individuales y hacer que se acumulen en una pila de estructuras similares a la nieve que pueden representar con mayor precisión lo que sucede cuando el agua derretida se filtra a través de una capa de nieve y altera la estructura de la nieve en el proceso.

"Pensé que sería realmente útil si pudiéramos recrear una capa de nieve en el laboratorio y realmente verla derretirse y luego modelar el proceso de fusión", dice Fu. "Un mejor modelo predictivo de cómo una capa de nieve se convierte en agua podría conducir a un mejor control del agua en tiempo real por parte de los administradores del agua, que necesitan saber cuánto agua de deshielo esperar".

El profesor de Geología Mike Lamb supervisa el trabajo en el Laboratorio de Dinámica de la Superficie Terrestre de Caltech, donde su equipo construye ríos artificiales para simular procesos naturales. Crédito: Lance Hayashida/Caltech

Fu no es el único que trabaja para crear ambientes naturales en el laboratorio. En un almacén de 4,000 pies cuadrados llamado Laboratorio de Dinámica de la Superficie Terrestre de Caltech, también conocido como Flume Lab, ubicado en la parte suroeste del campus, un río modelo fluye hacia un océano en miniatura. Los sedimentos transportados por el agua se asientan a lo largo del fondo del río y se depositan en su desembocadura para formar un familiar delta en forma de abanico. Pero mientras que un delta real puede tardar cientos de años en formarse, este comienza a aparecer en meses.

Esto es hidrología en miniatura. El delta artificial se extiende solo uno o dos metros en su punto más ancho, y el pequeño río que lo alimenta mide unos 15 centímetros de ancho, 1 centímetro de profundidad y 5 a 6 metros de largo. Todo el sistema fluvial ha sido elaborado meticulosamente por el profesor de geología Mike Lamb y su grupo dentro del Flume Lab. "Tenemos canales similares a los que podrías haber visto en los museos de ciencia, donde puedes jugar con agua y sedimentos, pero a un nivel más sofisticado", dice.

El canal de agua a medida de Lamb le permite a su grupo ver un delta desarrollarse más rápidamente, pero el proceso aún requiere seis meses o más. "Aunque podemos acelerar el tiempo, no podemos acelerarlo demasiado porque estamos tratando de estudiar la física de cómo fluye el agua y cómo se mueven los sedimentos en estos sistemas. Si hacemos que vaya demasiado rápido, comenzamos a violar las condiciones que ocurren en la naturaleza", dice.

El grupo de Lamb emplea estos canales de agua artificiales para estudiar procesos como cuando un río cambia su curso, llamado avulsión. Una avulsión de río generalmente ocurre cuando una acumulación de sedimentos eleva el lecho del río en relación con la tierra vecina, lo que hace que el río sea inestable. "Nuestros deltas artificiales muestran comportamientos similares a los que vemos en la naturaleza", dice Lamb. "El canal de un río irá en una dirección hacia el océano, pero eventualmente se vuelve inestable y cambia de curso. Eso es una avulsión".

Es crucial comprender las avulsiones porque estas correcciones de curso pueden ser repentinas y violentas, provocando inundaciones catastróficas como la inundación del río Amarillo de 1887 y las inundaciones de China de 1931, que se estima que mataron a un total de 6 millones de personas. Al modelar las avulsiones en el laboratorio, Lamb espera comprender cómo ocurren, dónde podrían ocurrir a continuación y cómo podrían verse afectadas por el cambio climático.

Por ejemplo, uno de los últimos experimentos del grupo, detallado el verano pasado en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences, examinó cómo las avulsiones de los ríos se ven afectadas por el aumento del nivel del mar. "Las teorías predicen que la frecuencia de las avulsiones aumentará con el aumento del nivel del mar y que las ubicaciones de las avulsiones se desplazarán río arriba en determinadas condiciones", explica Lamb. "Esos resultados se confirman en nuestro experimento, por lo que nos da cierta confianza de que nuestros modelos informáticos están obteniendo la física correcta". Lamb también trabaja en deltas del mundo real como coinvestigador en el proyecto Delta-X de JPL, que utiliza el delta del río Mississippi como laboratorio natural. Dirigido por el científico del JPL Marc Simard, Delta-X combina la detección remota aérea con mediciones sobre el terreno para estudiar el agua, la vegetación y los sedimentos del delta. Aunque los instrumentos aéreos pueden ver la concentración general de sedimentos, no penetran en el agua para ver los sedimentos cerca del lecho del río.

Ahí es donde entra en juego el equipo de Lamb. "Estamos verificando el terreno. Saldremos en un bote y mediremos los flujos de agua y sedimentos y los compararemos con los datos de detección remota", dice.

El objetivo de esta investigación es predecir cómo responderá el delta del río Mississippi al aumento del nivel del mar, averiguar qué áreas son más vulnerables a las tormentas y pronosticar qué partes del delta crecerán o desaparecerán. "El río Mississippi no fue excavado por una excavadora", dice Lamb. "Tiene cierto tamaño y profundidad, y serpentea y se tuerce a través del paisaje, y mucho de eso está determinado por cómo el agua mueve los sedimentos y dónde termina el sedimento".

La historia del siglo XXI en el oeste americano se ha convertido en una historia de sequía. Los últimos 20 años fueron el período de 20 años más seco desde el siglo XVI en la región que va de Oregón a México en dirección norte-sur y de California a Colorado de oeste a este. Una sequía severa a principios de la década de 2000 fue seguida por un récord

sequías en 2012 y 2016. El oeste está sumido en la sequía nuevamente este año, y cada nuevo año trae la posibilidad de una temporada extrema de incendios forestales empeorada por la falta de lluvia.

"En el transcurso del estudio de estas sequías, la NASA se dio cuenta de dos cosas: que realmente podemos controlar bien lo que sucede desde el espacio, y que este es el comienzo de algo más grande", dice JT Reager, científico investigador en Hidrología de superficie del JPL. Grupo. Durante estas últimas décadas, los científicos de la NASA estuvieron entre los que demostraron que los mismos factores que alteran la atmósfera de la Tierra también modifican el ciclo del agua. La agencia ha respondido a esta información lanzando una serie de satélites que ahora forman la columna vertebral de la capacidad de la ciencia para rastrear el agua del planeta.

El becario posdoctoral de Caltech, Gerard Salter, recupera una muestra de agua del delta del lago Wax, mientras que el estudiante graduado de Caltech, Justin Nghiem (MS '21), prepara la bolsa de muestras. Las muestras se analizan en busca de sedimentos minerales suspendidos y partículas de carbono para predecir la pérdida de tierras en la región del delta del Mississippi como parte del proyecto Delta-X dirigido por el JPL. Crédito: Mike Cordero

"Tenemos más información fluyendo ahora sobre el agua de la que hemos tenido en cualquier momento de la historia de la humanidad", dice Reager. "La NASA tiene varios satélites y varios más que se lanzarán en los próximos cinco a 10 años". Esto incluye una misión para estudiar y rastrear la lluvia y las nevadas, las aguas superficiales y la sequía. "JPL tiene una observación de casi todos los componentes y todos los flujos del ciclo hidrológico", dice Reager.

La NASA genera tantos datos sobre el agua que se ha convertido en un gran desafío integrar las muchas corrientes de información en un solo afluente del cual extraer información útil y procesable. "Eso es lo que hacemos todo el día: pensar en formas de conectar diferentes conjuntos de datos", dice Reager. Colabora con Fu y otros en el campus en un proyecto que utiliza la ciencia de datos y el aprendizaje automático para combinar sin problemas diferentes conjuntos de datos, ya sea que los recopilen satélites, aviones o barcos.

En el futuro, algunos de esos datos podrían provenir de lugares sorprendentes. Por ejemplo, el profesor asistente de geofísica Zhongwen Zhan (MS '08, PhD '13) tiene como objetivo estudiar el agua utilizando fibras ópticas subterráneas establecidas originalmente para comunicaciones y que utilizó anteriormente para estudiar terremotos. El equipo de Zhan utilizará una nueva tecnología llamada detección acústica distribuida (DAS) para monitorear el agua subterránea debajo del lago Owens en California, un lago mayormente seco que el estado espera revivir rellenando la cuenca de agua subterránea debajo de él. DAS convertirá los cables de fibra óptica alrededor del lago en arreglos sísmicos sensibles que los científicos pueden usar para medir la inyección, extracción y movimiento del agua subterránea debajo del lago.

"Queremos ver si básicamente podemos arrojar todos esos datos en un caldero y tratar de comprender algunas preguntas críticas", dice Simons. Por ejemplo, ¿cómo pueden los científicos dirigir y rastrear el agua que ha sido reinyectada al suelo? ¿Podemos mejorar nuestra comprensión de las interacciones entre las aguas subterráneas y superficiales para que podamos aprender cómo reponer mejor los depósitos subterráneos?

Ambos esfuerzos para combinar diferentes conjuntos de datos de agua, el proyecto de monitoreo DAS y la investigación de la capa de nieve de Fu, están financiados por subvenciones iniciales de RSI, que promueve la sostenibilidad global a través de la ciencia transformadora, la ingeniería y la educación. "RSI está interesada en comprender la ciencia y la ingeniería básicas que pueden ayudarnos a progresar hacia una sociedad más sostenible, y está claro que un aspecto de la sostenibilidad es el acceso al agua dulce para beber, la agricultura y otros usos", dice Simons, quien dirige Iniciativa de recursos hídricos de RSI.

Simons, geofísico de formación, siguió un camino serpenteante para estudiar el agua. "Cuando miramos estas medidas de la Tierra, es ineludible que la señal dominante a veces no es la tectónica sino la hidrología", dice. Simons ahora busca adaptar tecnologías que ha usado para estudiar terremotos y otros eventos sísmicos a su investigación del agua. Para un estudio de 2018, por ejemplo, su equipo usó una tecnología de radar satelital llamada radar de apertura sintética interferométrica (InSAR) para rastrear los cambios del terreno en la cuenca de Los Ángeles y la cuenca costera de Santa Ana que fueron causados ​​​​por el bombeo de agua del suelo. Su equipo ahora usa la misma tecnología para observar los cambios de terreno causados ​​por el bombeo de agua subterránea en el Valle de San Gabriel, donde residen el campus y el laboratorio. Los datos se compartirán con las agencias de agua locales para ayudarlos a comprender mejor sus acuíferos.

"No somos administradores del agua", dice Simons. "Todo lo que podemos decir es: 'Aquí hay algunas observaciones sobre sus recursos hídricos. Ahora tome esto e inclúyalo en su proceso de toma de decisiones'".

Simons ve aún más oportunidades para los esfuerzos de investigación del campus y el laboratorio para informar cómo se gestiona y monitorea el agua en todo el mundo. "Si podemos ayudar a las personas en los países en desarrollo a comprender mejor sus acuíferos, eso es tan importante como lo que estamos haciendo en un lugar como California, donde hay una gran cantidad de otros recursos que se pueden utilizar para comprender el sistema acuífero". él añade. "Mi esperanza y mi intención es que adoptemos una perspectiva global para abordar estos desafíos en la sostenibilidad".