私たちの最も貴重な資源である水を追跡する科学 — カリフォルニア工科大学マガジン

Oct 31, 2023

カリフォルニア工科大学のキャンパス内と、カリフォルニア工科大学が NASA のために管理する JPL の科学者とエンジニアは、衛星と地震モニターを使用して地球の最も重要な資源である水の追跡を行い、研究室にミニチュアの河川システムを構築して、気候変動の中での水循環に対する社会の理解を広めています。、干ばつ、山火事。

今年7月、ヨーロッパの町や村が壊滅的な洪水によって破壊されたというニュースがあふれた。荒れ狂う水が家々を包み込み、木々を根こそぎにさせ、道路を泥と瓦礫の川と化させた。パサデナの自宅から画像を見ていると、クリスチャン・フランケンバーグは幼少期から馴染みのある場所を見つけました。彼は、最悪の洪水被害を受けた緑豊かなワイン生産地域であるアール渓谷から約十数マイル離れたドイツの都市ボンの近くで育ちました。

「子供の頃、この地域を何度もハイキングしたので、文字通り心に残りました」と、環境科学工学の教授とJPLの研究員を兼任しているフランケンバーグ氏は言う。「狭くて小さな谷なので、いつも洪水に見舞われてきましたが、今回ほどではありませんでした。水位はそれまでの最高水位より2メートルほど高かったのです。『これはおかしい』と思いました。」

フランケンベルクは洪水のニュースを聞いて落胆したが、ほとんど驚きはなかった。結局のところ、彼は、地球の地球規模の炭素循環が、水が海洋、陸地、大気の間を移動するときにたどる経路である水循環とどのように相互作用し、影響を受けるかを研究しています。この研究は、気候変動により異常気象の頻度がどのように増加しているかを実証するのに役立ちます。一部の地域では洪水が激化し、ハリケーンが勢力を強める一方で、他の地域では干ばつが悪化し、淡水不足の予兆が21世紀を決定づける問題の1つとなっている。

大学院生のネイサン・ジョーンズ氏（左）と機械・土木工学の助教授ルビー・フー氏（右）は、実験室で作った雪の中を流れる水の流体力学を染料を使って分析している。クレジット: Lance Hayashida/カリフォルニア工科大学

フランケンバーグ氏は気候ニュースにあまり影響されないよう努めているが、子供時代の遊び場が洪水で水没したり、故郷の州が慢性的な干ばつや水不足で悪化した山火事との戦いが続いたりすると、科学的客観性がわかりにくくなる可能性がある。カリフォルニア工科大学全体で、地球の水を測定し監視しているキャンパスと JPL の科学者とエンジニアは、自分たちが同じような場所にいることに気づきました。

ジョン・W・マイルズとハーバータ・M・マイルズの地球物理学教授であり、JPLの主任科学者であるマーク・シモンズと彼のチームは、衛星レーダーを使用して、水が汲み上げられたり吐き出されたりするときに、呼吸する巨人のように南カリフォルニアの地面がどのように隆起したり沈んだりしているかを追跡した。帯水層。「私の主な興味は、地球がさまざまな時間スケールで移動する原因と、この動きを制御する根本的な力学を理解することでした」と彼は言います。「しかし、これは私が知っているやり方が社会に役立つ可能性がある例です。」

好奇心と新たな危機感に駆り立てられて、JPL を含む研究所の各部門や、レズニック持続可能性研究所 (RSI) などの学際的な取り組みの研究者たちは、使えるあらゆるツールを駆使して、地球の水の研究と追跡、そして膨大なエネルギーの理解に取り組んでいます。そして水が運ぶ物質。彼らの研究は、宇宙の衛星と地下深くの光ファイバー、高度なコンピューターシミュレーション、実験室で作られたミニチュアの川を利用しています。彼らの発見は、地球の水循環に関する私たちの知識のギャップを埋め、私たちの最も貴重な資源の管理を改善しています。

彼らの発見は、今後の激動の数十年に私たちが備えるのにも役立つかもしれない。

水は、気候変動に関連する異常気象に影響を与える主な要因です。「将来的には地球温暖化の主要な推進要因の一つになると考えられています」とフランケンバーグ氏は言う。「理想的には、新しい気候モデルを使用して、極端な現象が将来どのように変化するかについて、より適切な統計的推定を作成できるようになります。」

フランケンバーグ氏は、キャンパス、JPL、MIT、海軍大学院の科学者、エンジニア、数学者を含む気候モデリングアライアンス (CliMA) との協力を通じて、次世代の気候シミュレーションの 1 つを構築するのを支援しています。 ClMA は、宇宙と地上の惑星観測を使用して、干ばつ、熱波、極端な降雨現象をこれまでより正確に予測する、地球の陸地、海洋、大気に関する新しい種類のモデルを構築することを目指しています。

CliMA グループの研究は、正確な気候予測には、気候変動が水循環にどのような影響を与えるか、またその逆についての深い理解を必要とする理由を示しています。たとえば、水循環の変化により、大気中の雲量や地上の積雪量が変化する可能性があり、どちらも地球のアルベド、つまり表面の反射率に影響を与えます。アルベドが高いほど、より多くの太陽放射が宇宙に反射されることを意味し、地球の冷却に役立ちます。

地球規模の炭素と水の循環のつながりもこの研究の一部です。 3月、フランケンバーグ氏とカリフォルニア工科大学の元博士研究員ヴィンセント・ハンフリー氏は、土壌中に存在する水の量が表面の温度と湿度にどのような影響を及ぼし、それが植物の二酸化炭素排出量の吸収能力に影響を与えるかを示す論文を『Nature』誌に発表した。「ここに決定的な証拠がある」とハンフリー氏はこの発見について語る。「土地が吸収する炭素量の年々の変化において、土壌水分が主要な役割を果たしていると自信を持って言えます。」

毎年夏になると、冬の間にカリフォルニアのシエラネバダ山脈の頂上に積もった雪がゆっくりと溶けます。水は小川、川、貯水池に流れ込み、全米の果物、ナッツ、野菜の多くが栽培されている肥沃なセントラルバレーの農場を灌漑し、サンフランシスコのベイエリアから南部までの何百万人もの人々に飲料水を提供しています。カリフォルニア。

これと同じ高山のプロセスが世界中で発生し、何十億もの人々に水を供給しています。しかし、科学による雪解けの全体像は不完全です。

「これまでに行われてきた雪の科学の多くは、宇宙からの雪の観察に関するものです」と機械・土木工学の助教授ルビー・フーは言う。「しかし、それは 2 次元の画像しか得られません。宇宙から雪の深さを監視するのは非常に困難ですが、その深さは雪塊の水文学の重要な部分が発生する次元です。」

2013年、JPLはリモートセンサーを搭載した飛行機をシエラネバダ山脈上空で飛行させ、山々に蓄えられている水の量を測定し、これらのデータを水管理者に提供する空挺ミッションを開始した。このプロジェクトは非常に成功したため、独自の会社 Airborne Snow Observatorys として独立しました。現在、Fu 氏のチームは同じ問題をより根本的なレベルで解決したいと考えています。「私は雪塊の物理学を研究し、シエラネバダ山脈の雪がどのように溶けるか、そしてそれがカリフォルニアの水文学システムにどのように寄与するかを理解しようとしています」と彼女は言います。

これを達成するために、フー氏のグループは研究室でミニチュアの雪塊を作成し、それが溶ける様子を研究する予定です。「これは私がこれまでにやろうと決めた中で最もクレイジーなことの一つです」とフーは言う。実験の簡単なバージョンは、雪の代わりに氷の塊を使うことですが、フー氏の説明によれば、「氷の塊が溶けるのは、口の中でキャラメルが溶けるようなものです。雪塊が溶けていくのを見るのとは異なります。なぜなら、氷の塊は溶けるからです」雪のように多孔質ではありません。」

代わりに、彼女は個々の氷の粒子を作成し、それらを雪のような構造の山に蓄積させて、融解水が雪塊に浸透し、その過程で雪の構造を変えるときに何が起こるかをより正確に表現できるようにすることを計画しています。

「実験室で雪塊を再現し、それが溶けていくのを実際に観察して、溶けるプロセスをモデル化できれば、非常に便利になるだろうと思いました」とフー氏は言います。「雪塊がどのようにして水になるのかについてのより良い予測モデルがあれば、予想される融解水の量を知る必要がある水道管理者によるリアルタイムの水管理の向上につながる可能性があります。」

地質学教授のマイクラムは、カリフォルニア工科大学地球表面力学研究所での研究を監督しており、彼のチームは自然のプロセスをシミュレートするために人工河川を建設しています。クレジット: Lance Hayashida/カリフォルニア工科大学

研究室で自然環境づくりに取り組んでいるのはフーさんだけではない。キャンパスの南西部に位置するカリフォルニア工科大学地球表面力学研究所 (別名フルーム研究所) と呼ばれる 4,000 平方フィートの倉庫では、模型の川がミニチュアの海に向かって流れています。水によって運ばれた土砂は川底に沿って沈殿し、河口に堆積してよく知られた扇形のデルタを形成します。しかし、本当のデルタは形成されるまでに数百年かかりますが、このデルタは数か月で現れ始めます。

これは水文学のミニチュアです。人工三角州の幅は最も広い部分でもわずか 1 ～ 2 メートルで、そこに流れ込む小さな川の幅は約 15 センチ、深さは 1 センチ、長さは 5 ～ 6 メートルです。河川系全体は、地質学教授のマイク・ラムとフルーム研究所内の彼のグループによって細心の注意を払って作成されました。「科学博物館で見たような水路があり、水や堆積物で遊ぶことができますが、より洗練されたレベルです」と彼は言います。

ラムさんの特注の水路のおかげで、彼のグループはデルタ地帯の発達をより迅速に観察できるようになりましたが、そのプロセスには依然として 6 か月以上かかります。「時間を短縮することはできますが、時間を短縮しすぎることはできません。なぜなら、私たちはこれらのシステム内で水がどのように流れ、堆積物がどのように移動するのかという物理学を研究しようとしているからです。時間を速めすぎると、時間を侵害し始めます。」自然界で起こる状況です」と彼は言います。

ラム氏のグループは、これらの人工水路を利用して、川が流路を変えるときなどの「剥離」と呼ばれるプロセスを研究している。河川の剥離は通常、土砂の蓄積により隣接する土地に比べて川底が上昇し、川が不安定になるときに発生します。「私たちの人工デルタは、自然界で見られるものと同様の挙動を示します」とラム氏は言う。「川の水路は海に向かって一方向に進んでいきますが、最終的には不安定になり、進路を変更します。これは剥離です。」

剥離を理解することは非常に重要です。なぜなら、これらの軌道修正は突然かつ暴力的であり、1887 年の黄河洪水や 1931 年の中国洪水のような壊滅的な洪水を引き起こし、合わせて 600 万人が死亡したと推定されているからです。ラム氏は、実験室での剥離をモデル化することで、剥離がどのように起こるのか、次にどこで発生するのか、気候変動によってどのような影響を受けるのかを理解したいと考えています。

たとえば、昨年の夏に米国科学アカデミー紀要誌に詳細が掲載された同グループの最新の実験の1つは、海面上昇が河川の崩落にどのような影響を与えるかを調べたものだ。「理論によれば、海面上昇に伴って剥離の頻度が増加し、特定の条件下では剥離の場所が上流に移動すると予測されています」とラム氏は説明する。「これらの結果は実験でも裏付けられており、コンピューターモデルが物理学を正しく理解しているという確信が得られます。」ラムはまた、ミシシッピ川デルタを自然実験室として使用する JPL のデルタ X プロジェクトの共同研究者として、現実世界のデルタ地帯にも取り組んでいます。 JPL 科学者マーク・シマール氏が率いるデルタ X は、空中リモートセンシングと地上測定を組み合わせて、デルタ地帯の水、植生、堆積物を研究しています。航空機搭載の機器は全体的な土砂濃度を確認できますが、水中に浸透して川底近くの土砂を確認することはできません。

そこでラム氏のチームが登場する。「私たちは地上調査を行っている。ボートに乗って水と堆積物のフラックスを測定し、それをリモートセンシングデータと比較している」と彼は言う。

この研究の目的は、ミシシッピ川デルタ地帯が海面上昇にどのように反応するかを予測し、嵐に対して最も脆弱な地域を特定し、デルタ地帯のどの部分が成長または消滅するかを予測することです。「ミシシッピ川はブルドーザーで掘削したわけではありません」とラム氏は言う。「水はある程度の大きさと深さを持っており、地形を蛇行したり曲がったりしますが、その多くは水が堆積物をどのように動かし、堆積物がどこに行き着くかによって決まります。」

アメリカ西部における 21 世紀の物語は、干ばつの物語になりました。南北方向はオレゴン州からメキシコ、西から東はカリフォルニア州からコロラド州にまたがる地域では、過去20年間は1500年代以来最も乾燥した20年間となった。 2000 年代初頭の深刻な干ばつが続いた後、記録的な猛暑が続きました。

西部は今年も干ばつに見舞われており、新年が来るたびに、降雨量の不足により極端な山火事の季節がさらに悪化する可能性がある。

「これらの干ばつを研究する過程で、NASAは2つのことに気づきました。1つは宇宙から何が起こっているのかを実際に把握できるということ、そしてこれはもっと大きな何かの始まりであるということです」とJPLの地表水文学の研究員であるJT・リーガーは言う。グループ。ここ数十年の間に、NASA の科学者たちは、地球の大気を変化させる同じ要因が水の循環も変化させることを実証した人々の一人でした。同局はこの情報に応えて、現在地球の水を追跡する科学の能力の根幹をなす一連の衛星を打ち上げた。

カリフォルニア工科大学博士研究員のジェラルド・ソルターがワックス湖デルタから採水器を回収する一方、カリフォルニア工科大学の大学院生ジャスティン・ギエム（修士'21）がサンプルバッグの準備をしている。 JPL主導のデルタ-Xプロジェクトの一環として、ミシシッピデルタ地域の土地損失を予測するために、サンプルの浮遊鉱物堆積物と粒子状炭素が分析されます。クレジット: マイク・ラム

「現在、水上には人類の歴史のどの時点よりも多くの情報が流れ込んでいます」とリーガー氏は言う。「NASAはいくつかの衛星を打ち上げており、今後5年から10年以内にさらにいくつかの衛星が打ち上げられる予定です。」これには、雨と降雪、地表水、干ばつを研究し追跡するというミッションが含まれます。「JPL は水循環のほぼすべての成分とすべての流れを観測しています」とリーガー氏は言う。

NASA は水に関する大量のデータを生成するため、多くの情報の流れを 1 つの支流に統合し、そこから有用で実用的な洞察を引き出すことが大きな課題となっています。「私たちが一日中やっているのは、さまざまなデータセットを接続する方法を考えることです」と Reager 氏は言います。彼は、データサイエンスと機械学習を使用して、衛星、飛行機、船舶のいずれによって収集されたかに関係なく、さまざまなデータセットをシームレスに組み合わせるプロジェクトで、Fu 氏やキャンパス内の他の人々と協力しています。

将来的には、そのデータの一部が意外な場所から得られる可能性があります。たとえば、地球物理学の Zhongwen Zhan 助教授 (修士号 '08、博士号'13) は、もともと通信用に敷設され、以前は地震の研究に使用していた地下の光ファイバーを使用して水を研究することを目指しています。ザン氏のチームは、分散型音響センシング（DAS）と呼ばれる新技術を利用して、カリフォルニア州のオーエンズ湖の地下水を監視する予定だ。オーエンズ湖は、州がその下の地下水盆地を埋め戻すことで再生を目指している、ほぼ乾いた湖である。 DAS は、湖の周りの光ファイバーケーブルを高感度の地震アレイに変換し、科学者が湖の下での地下水の注入、取水、移動を測定するために使用できるようにします。

「基本的にすべてのデータを大釜に放り込んで、いくつかの重要な疑問を理解できるかどうかを確認したいと考えています」と Simons 氏は言います。たとえば、科学者は、地下に再注入された水をどのように指示し、追跡できるでしょうか? 地下貯水池に水を補給する最善の方法を学ぶために、地下水と地表水の間の相互作用についての理解を深められるでしょうか?

DAS モニタリングプロジェクトと Fu の雪塊研究という、さまざまな水データセットを組み合わせる取り組みはいずれも、革新的な科学、工学、教育を通じて地球規模の持続可能性を推進する RSI からのシード助成金によって資金提供されています。「RSIは、私たちがより持続可能な社会に向けて前進するのに役立つ基礎的な科学と工学を理解することに興味を持っています。そして、持続可能性の1つの側面が、飲料、農業、その他の用途のための淡水へのアクセスであることは明らかです」と、リーダーのシモンズ氏は言います。 RSI の水資源イニシアチブ。

訓練を受けた地球物理学者であるシモンズは、水を研究するために曲がりくねった道をたどりました。「地球のこれらの測定値を見ると、支配的な信号が地殻変動ではなく水文学であることは避けられません」と彼は言います。シモンズ氏は現在、地震やその他の地震現象の研究に使用してきた技術を水の研究に応用しようとしている。たとえば、2018年の研究では、彼のチームは干渉合成開口レーダー（InSAR）と呼ばれる衛星レーダー技術を使用して、地面から水を汲み出すことによって引き起こされたロサンゼルス盆地とサンタアナ海岸盆地の地形変化を追跡しました。彼のチームは現在、同じテクノロジーを使用して、キャンパスと研究室があるサンガブリエルバレーでの地下水の汲み上げによって引き起こされる地形の変化を調べています。データは地元の水道局と共有され、帯水層をより深く理解できるようになります。

「私たちは水管理者ではありません」とシモンズ氏は言う。「私たちに言えるのは、『あなたの水資源に関する観察結果をいくつかご紹介します。さあ、これをあなたの意思決定プロセスに組み込んでください』ということだけです。」

シモンズ氏は、世界中で水がどのように管理および監視されているかを知らせるために、キャンパスや研究室からの研究活動がさらに多くの機会につながると考えています。「開発途上国の人々が帯水層をより深く理解できるように支援できれば、それは帯水層システムを理解するために使用できる他のリソースが膨大にあるカリフォルニアのような場所で私たちが行っていることと同じくらい重要です。」彼は付け加えた。「私の希望と意図は、持続可能性におけるこれらの課題に世界的な視点を持って対処することです。」

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