Änderungen in der terrestrischen Wasserspeicherung (∆TWS) führen zu Änderungen im Schwerefeld der Erde, die mit dem Gravity Recovery And Climate Experiment (GRACE) und seiner Nachfolgemission (GRACE-FO) gemessen werden können. Sie verursachen elastische Verformungen der Erdoberfläche, die mit den Verschiebungen des globalen Navigationssatellitensystems (GNSS) gemessen werden können. An Orten mit dichten GNSS-Netzen hat sich gezeigt, dass GNSS-Stationsverschiebungen sowohl unabhängig als auch in Kombination mit GRACE/GRACE-FO verwendet werden können, um Änderungen der Wasserspeicherung mit einer ~3-5-fach höheren Auflösung als mit GRACE allein zu ermitteln, je nach Stationsdichte. Allerdings versagt diese Technik oft dort, wo andere Deformationsprozesse das Signal dominieren. Dies ist der Fall über ausgedehnten, eingeschlossenen Grundwasserleitern, die durch das Abpumpen von Grundwasser eine schnelle poroelastische Verdichtung erfahren, die eine der elastischen Belastung entgegengesetzte Reaktion verursacht. Stationen mit poroelastischer Verformung können nicht in Belastungsmodelle einbezogen werden, was zu einer räumlichen Beobachtungslücke oberhalb von Grundwasserleitern führt, bei denen der Rückgang der Grundwasserspeicherung einen erheblichen Anteil am ∆TWS ausmachen kann. Um dieses Problem zu beheben, kann die Verformung des verdichtenden Aquifers in den Modellierungsrahmen einbezogen werden. Der Vorteil eines solchen Ansatzes besteht darin, dass nicht nur die Veränderung der Gesamtwasserspeicherung (∆TWS), sondern auch die Veränderung der Grundwasserspeicherung (∆GWS) geschätzt werden kann.
Grace Carlson, University of California, Berkeley, USA, und Susanna Werth, Virginia Tech, Blacksburg, USA
Auflösung von Veränderungen der Grundwasserspeicherung: Messung von zwei sich überschneidenden Prozessen
Grundwasser ist unsere größte Quelle für nicht gefrorenes Süßwasser und wird weltweit von Milliarden von Menschen als Trinkwasser und für die Bewässerung von Pflanzen genutzt. Im landwirtschaftlich geprägten Central Valley in Kalifornien trägt das Abpumpen von Grundwasser dazu bei, die Bewässerung von Nutzpflanzen während längerer Perioden unterdurchschnittlicher Niederschläge, auch bekannt als Dürre, aufrechtzuerhalten. Das Abpumpen hat jedoch zu einem raschen Absinken des Grundwasserspiegels und zu einem Absinken der Landoberfläche geführt. Um den Grundwasserverlust im Central Valley während Dürreperioden zu quantifizieren, haben sich viele Forscher:innen den GRACE- und GRACE-FO-Satellitendaten zugewandt, die die kumulative Veränderung des in Schnee und Eis, Flüssen und Seen, im Boden und unter der Erde gespeicherten Wassers - ∆GWS - messen. Eine gute Schätzung von ∆GWS lässt sich ermitteln, indem man aus den GRACE-∆TWS-Beobachtungen die aus der Ferne erfassten oder modellierten Speicherkomponenten in anderen Reservoirs herausrechnet.
Dieser Ansatz kann jedoch aufgrund der Fehlerakkumulation in allen gemessenen Komponenten und der geringen regionalen räumlichen Auflösung der GRACE-Beobachtungen zu großen Unsicherheiten führen. Daher ist es von Vorteil, ∆GWS durch die Integration anderer Beobachtungen aufzulösen. Hier bieten sich fernerkundete Deformationssignale an, da sie direkt auf Veränderungen der Wasserspeicherung und der Aquiferdynamik zurückzuführen sind.
Die Entnahme von Wassermassen führt zu einer kleinen, sofortigen, rückstellbaren Verschiebung der Erdoberfläche nach oben. In ähnlicher Weise führt eine Zugabe von Wassermasse zu einem Absinken der Erdoberfläche. Dieser Effekt wird allgemein als elastische Belastung bezeichnet. Ein zweiter Verformungsprozess, die poroelastische Verformung, tritt über bestimmten Arten von Aquifersystemen auf, bei denen der Entzug von Wasser eine entgegengesetzte Verformungsreaktion hervorruft, die die durch die elastische Belastung hervorgerufenen Verformungssignale überdeckt (Abbildung 1). Beide Deformationsprozesse sind in Signalen enthalten, die von GNSS-Stationen (Global Navigation Satellite System) beobachtet werden, sowie in vertikalen Landbewegungskarten, die aus dem interferometrischen Radar mit synthetischer Apertur (InSAR) abgeleitet werden. Die Unterscheidung der sich überschneidenden poroelastischen und elastischen Entlastungsprozesse in Deformationsdatensätzen macht die Auflösung von Wasserspeicheränderungen durch Inversionsmodelle jedoch schwierig. Durch die Einbeziehung der Physik der poroelastischen Aquifer- und elastischen Ladungsverschiebungen in einen Modellierungsrahmen zusammen mit GRACE kann jedoch eine genauere, höher aufgelöste ∆GWS-Schätzung erfolgen.
Ein Volumen, das mehr als 8.160.000 olympischen Schwimmbecken entspricht
Unter Verwendung eines neuartigen Kombinationsrahmens, der die Veränderung der terrestrischen Wasserspeicherung aus GRACE-FO und die Verformung durch elastische Belastung innerhalb und außerhalb des Central Valley sowie die poroelastische Verformung der GrundwasserleiterEine Schicht aus Gestein oder Sediment, die dazu geeignet ist Wasser zu speichern und zu transportieren. Ist die Schicht vollständig mit Wasser gefüllt, spricht man von einem gesättigten Grundwasserleiter (engl. Aquifer). Im deutschen Sprachraum ... über dem Central Valley (aus GNSS und InSAR) integriert, wurde eine Schätzung des GWS-Verlustes im Central Valley ermittelt. Insgesamt haben die tiefen AquifereWasserführende Gesteinsschicht. Eine Lage aus Gestein oder Sediment, die Grundwasser enthält. Wichtig: im deutschen Sprachgebrauch wird der englische Begriff Aquifer oft synonym zu Grundwasserleiter gebraucht. Mit Aquifer wird jedoch nur ein Grundw... im Central Valley 20,4+/- 2,6 km3 verloren. Dies entspricht mehr als 8.160.000 olympischen Schwimmbecken! Die angewandte neuartige Methode führte zu einer beispiellosen räumlich detaillierten Karte des ∆GWS (Abbildung 2), die nur durch die konsequente Integration der drei geodätischen Sensoren GRACE-FO, GNSS und InSAR über komplementäre geophysikalische Modelle möglich war.
Weiterführende Literatur
- G. Carlson, S. Werth, M. Shirzaei (2024): A novel hybrid GNSS, GRACE, and InSAR joint inversion approach to constrain water loss during a record-setting drought in California, Remote Sensing of Environment, Volume 311, 2024, 114303, ISSN 0034-4257, doi.org/10.1016/j.rse.2024.114303.
- Faunt, C. (2009): Groundwater availability of the Central Valley aquifer, California, Geological Survey Professional Paper