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Pesquisadores do Caltech desenvolveram um novo método para medir a umidade do solo na região subterrânea rasa entre a superfície e os aquíferos subterrâneos. Essa região, chamada de zona vadosa, é crucial para que plantas e plantações obtenham água por meio de suas raízes. No entanto, medir como essa umidade subterrânea flutua ao longo do tempo e entre regiões geográficas tradicionalmente se baseia em imagens de satélite, que fornecem apenas médias de baixa resolução e não conseguem penetrar abaixo da superfície. Além disso, a umidade dentro da zona vadosa muda rapidamente — uma tempestade pode saturar uma região que seca alguns dias depois.
O novo método se baseia na tecnologia sísmica que normalmente mede como o solo treme durante terremotos. No entanto, ele também pode detectar as vibrações da atividade humana, como o tráfego. Conforme essas vibrações passam pelo solo, elas são desaceleradas pela presença de água — quanto mais umidade, mais lenta a vibração se move. O novo estudo mede o conteúdo de água na zona vadosa por meio de estrondos sísmicos do tráfego diário.
A pesquisa é uma colaboração entre os laboratórios do hidrólogo Xiaojing (Ruby) Fu, professor assistente de engenharia mecânica e civil; e do sismólogo Zhongwen Zhan, professor de geofísica. Um artigo descrevendo o trabalho aparece no periódico Comunicações da Natureza em 5 de agosto.
O novo método é baseado em uma técnica pioneira no laboratório de Zhan, chamada sensoriamento acústico distribuído (DAS). Com essa técnica, lasers são apontados para cabos de fibra ótica subterrâneos não utilizados (como o tipo que fornece internet). Conforme uma onda sísmica, ou qualquer tipo de vibração, passa pelo cabo, a luz do laser se curva e refrata. Medir as oscilações nessa luz do laser fornece aos pesquisadores informações sobre a onda que passa, tornando o cabo de 10 quilômetros equivalente a uma linha de milhares de sensores sísmicos convencionais.
Após o terremoto de magnitude 7,2 de 2019 em Ridgecrest, Califórnia, Zhan instalou um conjunto DAS em um cabo próximo para medir tremores secundários. Em colaboração com Fu, a equipe percebeu rapidamente que o conjunto também poderia ser usado para medir como as vibrações subterrâneas diárias mudam dependendo do conteúdo de água do solo. Ao longo de cinco anos, a equipe coletou dados e criou modelos para ilustrar como a umidade na zona vadosa varia ao longo do tempo. Eles descobriram que durante a seca histórica na Califórnia de 2019 a 2022, a umidade na zona vadosa diminuiu significativamente a uma taxa de 0,25 metros por ano, excedendo a precipitação média média.
“Dos 20 metros superiores do solo na região de Ridgecrest, podemos extrapolar para todo o deserto de Mojave”, diz Yan Yang, um estudante de pós-graduação em geofísica e coautor do estudo. “Nossa estimativa aproximada é que a cada ano, a zona vadosa de Mojave perde uma quantidade de água equivalente à Represa Hoover. Ao longo dos anos de seca de 2019 a 2022, a zona vadosa tem ficado cada vez mais seca.”
A capacidade de medir a umidade da zona vadosa em tempo real é crucial para gerenciar o uso da água e os esforços de conservação. Em seguida, a equipe pretende implantar a tecnologia em regiões diferentes do deserto.
“Sabemos que esse método funciona muito bem para esse local em particular”, diz Fu. “Muitas outras regiões interessantes com o mesmo clima podem ter processos hidrológicos diferentes, como a Califórnia central, onde as operações agrícolas retiram água, mas a região também recebe neve derretida das montanhas de Sierra Nevada.”
Instrumentos sismológicos nunca foram usados para medir a umidade do solo em uma escala tão grande por um período de tempo tão longo e contínuo. O projeto foi possível graças ao financiamento e suporte do Resnick Sustainability Institute (RSI) do Caltech.
“Esse é exatamente o tipo de ciência criativa e interdisciplinar que o Resnick Institute foi criado para apoiar, reunindo colegas que, de outra forma, não teriam trabalhado juntos e, nessa colaboração, desenvolver novas ferramentas que podem ajudar a medir e gerenciar a disponibilidade de água de forma mais sustentável”, afirma Neil Fromer, Diretor Executivo de Programas do Resnick Sustainability Institute.
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