La science du suivi de notre ressource la plus précieuse : l'eau — Caltech Magazine

Oct 31, 2023

Les scientifiques et ingénieurs de Caltech sur le campus et au JPL, que Caltech gère pour la NASA, utilisent des satellites et des moniteurs sismiques pour suivre la ressource la plus importante de la planète - l'eau - et construisent des systèmes fluviaux miniatures en laboratoire pour élargir la compréhension de la société du cycle de l'eau au milieu du changement climatique , les sécheresses et les incendies de forêt.

En juillet dernier, les nouvelles étaient inondées de reportages sur des villes et des villages européens dévastés par une inondation cataclysmique. Les eaux déchaînées enveloppaient les maisons, déracinaient les arbres et transformaient les routes en rivières de boue et de débris. En regardant les images depuis sa maison de Pasadena, Christian Frankenberg a repéré des lieux familiers de son enfance. Il a grandi près de la ville allemande de Bonn, à environ une douzaine de kilomètres de la vallée de l'Ahr, une région viticole luxuriante qui a subi certains des pires dommages causés par les inondations.

"J'ai fait plusieurs randonnées dans la région quand j'étais enfant, alors ça m'a littéralement frappé", déclare Frankenberg, qui occupe un poste conjoint en tant que professeur de sciences et d'ingénierie de l'environnement et chercheur au JPL. "C'est une petite vallée étroite, donc elle a toujours été sujette aux inondations, mais pas à ce degré. Le niveau de l'eau était quelque chose comme deux mètres plus haut que le niveau d'eau le plus élevé précédent. J'ai pensé : 'C'est fou.'"

Frankenberg a absorbé la nouvelle des inondations avec consternation mais peu de surprise. Après tout, il étudie comment le cycle global du carbone de la Terre interagit et est influencé par son cycle de l'eau, le chemin que l'eau suit lorsqu'elle se déplace entre l'océan, la terre et l'atmosphère. Ce travail aide à démontrer comment la fréquence des événements météorologiques extrêmes augmente en raison du changement climatique. Alors que les inondations s'aggravent et que les ouragans s'intensifient dans certaines régions, les sécheresses s'aggravent dans d'autres, un présage de pénurie d'eau douce devenant l'un des problèmes déterminants du 21e siècle.

L'étudiant diplômé Nathan Jones (à gauche) et Ruby Fu, professeur adjoint de génie mécanique et civil (à droite), utilisent un colorant pour analyser la dynamique des fluides de l'eau lorsqu'elle s'écoule à travers la neige créée en laboratoire. Crédit : Lance Hayashida/Caltech

Frankenberg essaie de ne pas être trop affecté par les nouvelles climatiques, mais l'objectivité scientifique peut être insaisissable lorsque les eaux de crue noient votre terrain de jeu d'enfance ou lorsque votre État d'origine mène une bataille continue contre les incendies de forêt exacerbés par des conditions de sécheresse chroniques et des pénuries d'eau. À travers Caltech, les scientifiques et ingénieurs du campus et du JPL qui mesurent et surveillent l'eau de la planète se retrouvent dans un endroit similaire.

Mark Simons, professeur de géophysique John W. et Herberta M. Miles et scientifique en chef du JPL, et son équipe ont utilisé un radar satellite pour suivre comment le sol dans le sud de la Californie monte et descend comme un géant qui respire lorsque l'eau est pompée dans et hors de aquifères. "Mon principal intérêt était de comprendre ce qui fait bouger la Terre à différentes échelles de temps et les mécanismes sous-jacents qui contrôlent ce mouvement", dit-il. "Mais c'est un exemple où ce que je sais faire peut potentiellement être utile à la société."

Poussés par la curiosité et un nouveau sentiment d'urgence, les chercheurs des divisions de l'Institut, y compris le JPL, et d'efforts interdisciplinaires tels que le Resnick Sustainability Institute (RSI) utilisent tous les outils à leur disposition pour étudier et suivre l'eau de la Terre et pour comprendre les vastes énergies et les matériaux transportés par l'eau. Leurs recherches s'appuient sur des satellites dans l'espace et des fibres optiques profondément souterraines, sur des simulations informatiques avancées et des rivières miniatures construites en laboratoire. Leurs découvertes comblent les lacunes de notre connaissance du cycle hydrologique de la Terre et améliorent la gestion de notre ressource la plus précieuse.

Leurs découvertes pourraient également nous aider à nous préparer aux décennies tumultueuses à venir.

L'eau est un facteur primordial qui affecte les phénomènes météorologiques extrêmes liés au changement climatique. "Il est considéré comme l'un des principaux moteurs du réchauffement climatique à l'avenir", a déclaré Frankenberg. "Idéalement, avec de nouveaux modèles climatiques, nous pouvons produire de meilleures estimations statistiques sur la façon dont les événements extrêmes pourraient changer à l'avenir."

Frankenberg aide à construire l'une de ces simulations climatiques de nouvelle génération grâce à son travail avec la Climate Modeling Alliance (CliMA), qui comprend des scientifiques, des ingénieurs et des mathématiciens du campus, du JPL, du MIT et de la Naval Postgraduate School. CliMA vise à construire un nouveau type de modèle de la terre, des océans et de l'atmosphère de la Terre qui utilise des observations planétaires spatiales et terrestres pour prédire les sécheresses, les vagues de chaleur et les précipitations extrêmes avec plus de précision que jamais.

Les travaux du groupe CliMA démontrent pourquoi des prévisions climatiques précises nécessitent une compréhension approfondie de la façon dont le changement climatique affecte le cycle de l'eau et vice versa. Par exemple, les modifications du cycle de l'eau peuvent entraîner des modifications de la couverture nuageuse dans l'atmosphère et de la couverture de neige au sol, qui affectent toutes deux l'albédo de la Terre ou la réflectivité de la surface. Un albédo plus élevé signifie que plus de rayonnement solaire est réfléchi dans l'espace, ce qui aide à refroidir la planète.

La connexité des cycles mondiaux du carbone et de l'eau est une autre partie de cette recherche. En mars, Frankenberg et l'ancien chercheur postdoctoral de Caltech Vincent Humphrey ont publié un article dans Nature montrant comment la quantité d'eau présente dans le sol affecte la température et l'humidité de surface, qui à leur tour affectent la capacité des plantes à absorber les émissions de dioxyde de carbone. "Ici, nous avons une preuve irréfutable", déclare Humphrey à propos de la découverte. "Nous pouvons dire avec confiance que l'humidité du sol joue un rôle dominant dans le changement d'année en année que nous voyons dans la quantité de carbone absorbée par la terre."

Chaque été, la neige qui s'est accumulée au sommet des montagnes de la Sierra Nevada en Californie pendant l'hiver fond lentement. L'eau s'écoule dans les ruisseaux, les rivières et les réservoirs pour irriguer les fermes de la fertile vallée centrale de l'État, où sont cultivés une grande partie des fruits, des noix et des légumes du pays, et pour fournir de l'eau potable à des millions de personnes de la région de la baie de San Francisco au sud Californie.

Ce même processus alpin se produit dans le monde entier pour fournir de l'eau à des milliards de personnes. Pourtant, l'image scientifique de la fonte des neiges est incomplète.

"Une grande partie de la science de la neige qui a été faite concerne l'observation de la neige depuis l'espace", explique Ruby Fu, professeur adjoint de génie mécanique et civil. "Mais cela ne vous donne qu'une image en 2D. Il est vraiment difficile de surveiller la profondeur de la neige depuis l'espace, mais cette profondeur est la dimension où se produit une partie importante de l'hydrologie du manteau neigeux."

En 2013, JPL a lancé une mission aéroportée pour faire voler des avions équipés de capteurs à distance au-dessus de la Sierra Nevada pour mesurer la quantité d'eau que les montagnes contiennent et fournir ces données aux gestionnaires de l'eau. Le projet a connu un tel succès qu'il a été transformé en sa propre société, Airborne Snow Observatories. Maintenant, l'équipe de Fu veut aborder le même problème à un niveau plus fondamental. "Je regarde la physique du manteau neigeux et j'essaie de comprendre comment la neige de la Sierra Nevada fond et comment elle contribue à nos systèmes hydrologiques en Californie", dit-elle.

Pour ce faire, le groupe de Fu créera un manteau neigeux miniature en laboratoire, puis l'étudiera au fur et à mesure qu'il fond. "C'est l'une des choses les plus folles que j'ai jamais décidé de faire", dit Fu. Une version simple de l'expérience consisterait à substituer un bloc de glace à la neige, mais comme l'explique Fu, "un bloc de glace qui fond, c'est comme du caramel qui fond dans la bouche. C'est différent de regarder un manteau neigeux fondre, car un bloc de glace est pas poreuse comme la neige l'est."

Au lieu de cela, elle prévoit de créer des particules glacées individuelles et de les faire s'accumuler dans un tas de structures ressemblant à de la neige qui peuvent représenter plus précisément ce qui se passe lorsque l'eau de fonte s'infiltre à travers un manteau neigeux et modifie la structure de la neige au cours du processus.

"J'ai pensé qu'il serait vraiment utile de pouvoir recréer un manteau neigeux en laboratoire et de le regarder réellement fondre, puis de modéliser le processus de fonte", a déclaré Fu. "Un meilleur modèle prédictif de la façon dont un manteau neigeux devient de l'eau pourrait conduire à un meilleur contrôle de l'eau en temps réel par les gestionnaires de l'eau, qui ont besoin de savoir à quelle quantité d'eau de fonte s'attendre."

Le professeur de géologie Mike Lamb supervise les travaux au Caltech Earth Surface Dynamics Laboratory, où son équipe construit des rivières artificielles pour simuler les processus naturels. Crédit : Lance Hayashida/Caltech

Fu n'est pas le seul à travailler pour créer des environnements naturels en laboratoire. Dans un entrepôt de 4 000 pieds carrés appelé Caltech Earth Surface Dynamics Laboratory, également connu sous le nom de Flume Lab, situé dans la partie sud-ouest du campus, une rivière modèle coule vers un océan miniature. Les sédiments transportés par l'eau se déposent le long du fond de la rivière et se déposent à son embouchure pour former un delta familier en forme d'éventail. Mais alors qu'un véritable delta peut prendre des centaines d'années à se former, celui-ci commence à apparaître en quelques mois.

C'est de l'hydrologie en miniature. Le delta artificiel ne s'étend que sur un mètre ou deux à son point le plus large, et la petite rivière qui l'alimente mesure environ 15 centimètres de large, 1 centimètre de profondeur et 5 à 6 mètres de long. L'ensemble du système fluvial a été méticuleusement conçu par le professeur de géologie Mike Lamb et son groupe au sein du Flume Lab. "Nous avons des canaux similaires à ce que vous avez pu voir dans les musées des sciences, où vous pouvez jouer avec l'eau et les sédiments, mais à un niveau plus sophistiqué", dit-il.

La voie navigable sur mesure de Lamb permet à son groupe de voir un delta se développer plus rapidement, mais le processus nécessite encore six mois ou plus. "Bien que nous puissions accélérer le temps, nous ne pouvons pas trop l'accélérer parce que nous essayons d'étudier la physique de la façon dont l'eau s'écoule et comment les sédiments se déplacent dans ces systèmes. Si nous le faisons aller trop vite, nous commençons à violer les conditions qui se produisent dans la nature », dit-il.

Le groupe de Lamb utilise ces canaux d'eau artificiels pour étudier des processus tels que le changement de cours d'une rivière, appelé avulsion. Une avulsion de rivière se produit généralement lorsqu'une accumulation de sédiments soulève le lit de la rivière par rapport aux terres voisines, rendant la rivière instable. "Nos deltas artificiels affichent des comportements similaires à ce que nous voyons dans la nature", explique Lamb. "Un canal fluvial ira dans une direction vers l'océan mais finira par devenir instable et changera de cap. C'est une avulsion."

Il est crucial de comprendre les avulsions car ces corrections de cap peuvent être soudaines et violentes, déclenchant des inondations catastrophiques comme l'inondation du fleuve Jaune en 1887 et les inondations en Chine en 1931, qui auraient tué au total 6 millions de personnes. En modélisant les avulsions en laboratoire, Lamb espère comprendre comment elles se produisent, où elles pourraient se produire ensuite et comment elles pourraient être affectées par le changement climatique.

Par exemple, l'une des dernières expériences du groupe, détaillée l'été dernier dans la revue Actes de l'Académie nationale des sciences, a examiné comment les avulsions de rivière sont affectées par une élévation du niveau de la mer. "Les théories prédisent que la fréquence des avulsions augmentera avec l'élévation du niveau de la mer et que les emplacements des avulsions se déplaceront en amont dans certaines conditions", explique Lamb. "Ces résultats confirment notre expérience, cela nous donne donc une certaine confiance dans le fait que nos modèles informatiques obtiennent la bonne physique." Lamb travaille également sur les deltas du monde réel en tant que co-investigateur du projet Delta-X du JPL, qui utilise le delta du Mississippi comme laboratoire naturel. Dirigé par le scientifique du JPL Marc Simard, Delta-X combine la télédétection aérienne avec des mesures au sol pour étudier l'eau, la végétation et les sédiments du delta. Bien que les instruments aéroportés puissent voir la concentration globale des sédiments, ils ne pénètrent pas dans l'eau pour voir les sédiments près du lit de la rivière.

C'est là qu'intervient l'équipe de Lamb. "Nous effectuons une vérification au sol. Nous sortons dans un bateau et mesurons les flux d'eau et de sédiments et comparons cela aux données de télédétection", dit-il.

L'objectif de cette recherche est de prédire comment le delta du Mississippi réagira à une élévation du niveau de la mer, de déterminer quelles zones sont les plus vulnérables aux tempêtes et de prévoir quelles parties du delta vont croître ou disparaître. "Le fleuve Mississippi n'a pas été creusé par un bulldozer", dit Lamb. "Il a une certaine taille et profondeur, et il serpente et se fraye un chemin à travers le paysage, et une grande partie de cela est déterminée par la façon dont l'eau déplace les sédiments et où les sédiments se retrouvent."

L'histoire du 21e siècle dans l'Ouest américain est devenue une histoire de sécheresse. Les 20 dernières années ont été la période de 20 ans la plus sèche depuis les années 1500 dans la région s'étendant de l'Oregon au Mexique dans le sens nord-sud et de la Californie au Colorado d'ouest en est. Une grave période de sécheresse au début des années 2000 a été suivie d'un record

sécheresses en 2012 et 2016. L'Ouest est à nouveau embourbé dans la sécheresse cette année, et chaque nouvelle année apporte la possibilité d'une saison de feux de forêt extrême aggravée par le manque de précipitations.

"Au cours de l'étude de ces sécheresses, la NASA a réalisé deux choses : que nous pouvons vraiment avoir une bonne idée de ce qui se passe depuis l'espace, et que c'est le début de quelque chose de plus grand", déclare JT Reager, chercheur au JPL's Surface Hydrology. Groupe. Au cours de ces dernières décennies, les scientifiques de la NASA ont été parmi ceux qui ont démontré que les mêmes facteurs qui modifient l'atmosphère terrestre modifient également son cycle de l'eau. L'agence a réagi à ces informations en lançant une série de satellites qui constituent désormais l'épine dorsale de la capacité de la science à suivre l'eau de la planète.

Le chercheur postdoctoral de Caltech, Gerard Salter, récupère un échantillonneur d'eau du delta du lac Wax tandis que l'étudiant diplômé de Caltech, Justin Nghiem (MS '21), prépare le sac d'échantillons. Des échantillons sont analysés pour les sédiments minéraux en suspension et le carbone particulaire afin de prédire la perte de terres dans la région du delta du Mississippi dans le cadre du projet Delta-X dirigé par le JPL. Crédit : Mike Lamb

"Nous avons plus d'informations en continu sur l'eau que nous n'en avons jamais eu à aucun moment de l'histoire de l'humanité", déclare Reager. "La NASA a plusieurs satellites en place et plusieurs autres qui vont être lancés dans les cinq à dix prochaines années." Cela comprend une mission d'étude et de suivi des pluies et des chutes de neige, des eaux de surface et de la sécheresse. "JPL a une observation de presque chaque composant et chaque flux du cycle hydrologique," dit Reager.

La NASA génère tellement de données sur l'eau qu'il est devenu un défi majeur d'intégrer les nombreux flux d'informations dans un seul affluent à partir duquel tirer des informations utiles et exploitables. "C'est ce que nous faisons toute la journée : réfléchir à des moyens de connecter différents ensembles de données", déclare Reager. Il collabore avec Fu et d'autres sur le campus sur un projet qui utilise la science des données et l'apprentissage automatique pour combiner de manière transparente différents ensembles de données, qu'elles soient recueillies par des satellites, des avions ou des bateaux.

À l'avenir, certaines de ces données pourraient provenir d'endroits surprenants. Par exemple, le professeur adjoint de géophysique Zhongwen Zhan (MS '08, PhD '13) vise à étudier l'eau à l'aide de fibres optiques souterraines initialement prévues pour les communications et qu'il utilisait auparavant pour étudier les tremblements de terre. L'équipe de Zhan utilisera une nouvelle technologie appelée détection acoustique distribuée (DAS) pour surveiller les eaux souterraines sous le lac Owens en Californie, un lac principalement asséché que l'État espère faire revivre en remplissant le bassin d'eau souterraine en dessous. Le DAS convertira les câbles à fibres optiques autour du lac en réseaux sismiques sensibles que les scientifiques pourront utiliser pour mesurer l'injection, le prélèvement et le mouvement des eaux souterraines sous le lac.

"Nous voulons voir si nous pouvons essentiellement jeter toutes ces données dans un chaudron et essayer de comprendre certaines questions critiques", déclare Simons. Par exemple, comment les scientifiques peuvent-ils diriger et suivre l'eau qui a été réinjectée dans le sol ? Pouvons-nous améliorer notre compréhension des interactions entre les eaux souterraines et de surface afin d'apprendre comment mieux remplir les réservoirs souterrains ?

Les deux efforts visant à combiner différents ensembles de données sur l'eau - le projet de surveillance DAS et la recherche sur le manteau neigeux de Fu - sont financés par des subventions de démarrage de RSI, qui fait progresser la durabilité mondiale grâce à la science, l'ingénierie et l'éducation transformationnelles. « RSI souhaite comprendre la science et l'ingénierie fondamentales qui peuvent nous aider à progresser vers une société plus durable, et il est clair qu'un aspect de la durabilité est l'accès à l'eau douce pour la consommation, l'agriculture et d'autres utilisations », déclare Simons, qui dirige L'initiative des ressources en eau de RSI.

Géophysicien de formation, Simons a suivi un parcours sinueux pour étudier l'eau. "Lorsque nous examinons ces mesures de la Terre, il est inévitable que le signal dominant ne soit parfois pas la tectonique mais l'hydrologie", dit-il. Simons cherche maintenant à adapter les technologies qu'il a utilisées pour étudier les tremblements de terre et autres événements sismiques à son enquête sur l'eau. Pour une étude de 2018, par exemple, son équipe a utilisé une technologie de radar par satellite appelée radar interférométrique à synthèse d'ouverture (InSAR) pour suivre les changements de terrain dans le bassin de Los Angeles et le bassin côtier de Santa Ana qui ont été causés par le pompage de l'eau hors du sol. Son équipe utilise désormais la même technologie pour examiner les changements de terrain causés par le pompage des eaux souterraines dans la vallée de San Gabriel, où résident le campus et le laboratoire. Les données seront partagées avec les agences locales de l'eau pour les aider à mieux comprendre leurs aquifères.

"Nous ne sommes pas des gestionnaires de l'eau", déclare Simons. "Tout ce que nous pouvons dire, c'est : 'Voici quelques observations sur vos ressources en eau. Maintenant, prenez cela et intégrez-le dans votre processus de prise de décision.'"

Simons voit encore plus d'opportunités pour les efforts de recherche du campus et du laboratoire pour informer sur la façon dont l'eau est gérée et surveillée dans le monde. "Si nous pouvons aider les habitants des pays en développement à mieux comprendre leurs aquifères, c'est tout aussi important que ce que nous faisons dans un endroit comme la Californie, où il existe un grand nombre d'autres ressources qui peuvent être utilisées pour comprendre le système aquifère", il ajoute. "Mon espoir, et mon intention, est que nous adoptions une perspective mondiale pour relever ces défis en matière de durabilité."