الخميس 04 يونيو 2026
تكنولوجيا الزلازل في خدمة البيئة.. تقنية ثورية لقياس رطوبة التربة تعزز إدارة الموارد المائية وتحارب آثار الجفاف في المناطق الجافة والزراعية
اكتشاف علمي جديد.. كيف يمكن لتكنولوجيا الزلازل أن تغير طريقة قياس رطوبة التربة وتساعد في تحسين إدارة المياه في المناطق الصحراوية والزراعية؟
تقنية مبتكرة من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا.. استخدام الألياف البصرية والاهتزازات الزلزالية لقياس رطوبة التربة بدقة غير مسبوقة وتحسين استدامة الموارد المائية.
نجح فريق من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (Caltech) في تطوير طريقة مبتكرة لقياس رطوبة التربة باستخدام التكنولوجيا الزلزالية، مما قد يحدث ثورة في إدارة الموارد المائية. تعتمد التقنية على الاستشعار الصوتي الموزع (DAS)، حيث يتم توجيه الليزر عبر كابلات الألياف البصرية المدفونة تحت الأرض، مما يسمح برصد التغيرات في رطوبة التربة من خلال تأثيرها على سرعة الاهتزازات الزلزالية. أظهرت التجارب أن هذه التقنية توفر قياسات دقيقة لمستويات المياه في المنطقة الفادوسية، وهي الطبقة الحرجة بين السطح والمياه الجوفية. خلال فترة الجفاف بين 2019 و2022، كشفت البيانات عن انخفاض كبير في رطوبة التربة بمعدل 0.25 متر سنويًا، مما يعادل كمية المياه التي يحتفظ بها سد هوفر. يطمح الباحثون إلى توسيع نطاق التقنية لاستخدامها في مناطق زراعية أخرى مثل وسط كاليفورنيا، حيث قد تساعد في تحسين إدارة المياه الجوفية وتقليل تأثيرات التغير المناخي.
تطوير طريقة مبتكرة لقياس رطوبة التربة
طور باحثو معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (Caltech) طريقة جديدة لقياس رطوبة التربة في المنطقة السفلية الضحلة بين السطح والطبقات المائية تحت الأرض، والمعروفة بـ"المنطقة الفادوسية". هذه المنطقة ضرورية لنمو النباتات والمحاصيل حيث تحصل على الماء من خلال جذورها. تقليديًا، كان قياس كيفية تقلب هذه الرطوبة تحت الأرض يعتمد على التصوير الفضائي، الذي يقدم متوسطات منخفضة الدقة ولا يمكنه التوغل تحت السطح. بالإضافة إلى ذلك، تتغير الرطوبة داخل المنطقة الفادوسية بسرعة، حيث يمكن لعاصفة رعدية أن تشبع منطقة ما، والتي قد تجف بعد بضعة أيام.
تكنولوجيا الزلازل في خدمة قياس الرطوبة
تعتمد الطريقة الجديدة على التكنولوجيا الزلزالية التي تقيس عادةً كيفية اهتزاز الأرض خلال الزلازل، ولكن يمكنها أيضًا اكتشاف اهتزازات النشاط البشري مثل حركة المرور. عندما تمر هذه الاهتزازات عبر الأرض، يتم إبطاؤها بوجود الماء. فكلما زادت الرطوبة، كلما تباطأت الاهتزازات. تقيس الدراسة الجديدة محتوى المياه في المنطقة الفادوسية من خلال الاهتزازات الناتجة عن حركة المرور اليومية.
دعم البحث من معهد ريسنيك للاستدامة لتعزيز الحلول البيئية
تأتي هذه الدراسة في إطار تعاون بين مختبرات عالمة الهيدرولوجيا شياوجينغ (روبي) فو، أستاذة مساعدة في الهندسة الميكانيكية والمدنية، وعالم الزلازل زونغوين زهان، أستاذ الجيوفيزياء.
نُشرت الورقة التي تصف العمل في مجلة "Nature Communications"
تستند الطريقة الجديدة إلى تقنية أسسها مختبر زهان تُسمى "الاستشعار الصوتي الموزع" (DAS). باستخدام هذه التقنية، يتم توجيه الليزر إلى كابلات الألياف البصرية غير المستخدمة تحت الأرض (مثل تلك التي توفر الإنترنت). عندما تمر موجة زلزالية أو أي نوع من الاهتزازات عبر الكابل، ينحني ضوء الليزر وينكسر. قياس الاهتزازات في ضوء الليزر يعطي الباحثين معلومات حول الموجة المارة، مما يجعل الكابل الذي يمتد على 10 كيلومترات يعادل خطًا من آلاف أجهزة الاستشعار الزلزالية التقليدية.
النتائج والتطبيقات المستقبلية
بعد الزلزال الذي بلغت شدته 7.2 درجة في ريدجكريست، كاليفورنيا، في عام 2019، قام زهان بإعداد مجموعة استشعار DAS على كابل قريب لقياس الهزات الارتدادية. بالتعاون مع فو، أدرك الفريق بسرعة أن المجموعة يمكن استخدامها أيضًا لقياس كيفية تغير الاهتزازات تحت الأرض اليومية اعتمادًا على محتوى المياه في التربة. على مدى خمس سنوات، جمع الفريق البيانات وأنشأ نماذج توضح كيفية تقلب الرطوبة في المنطقة الفادوسية بمرور الوقت. وجدوا أنه خلال فترة الجفاف التاريخي في كاليفورنيا من 2019 إلى 2022، انخفضت الرطوبة في المنطقة الفادوسية بشكل كبير بمعدل 0.25 مترًا سنويًا، متجاوزة متوسط هطول الأمطار.
قال يان يانغ، طالب دراسات عليا في الجيوفيزياء والمؤلف المشارك الأول في الدراسة: "من الطبقة العليا 20 مترًا من التربة في منطقة ريدجكريست، يمكننا التقدير للمنطقة الصحراوية Mojave بأكملها." وأضاف: "تقديرنا التقريبي هو أن المنطقة الفادوسية في Mojave تخسر كل عام كمية من المياه تعادل كمية المياه التي يحتفظ بها سد هوفر. خلال سنوات الجفاف من 2019 إلى 2022، أصبحت المنطقة الفادوسية أكثر جفافًا."
إمكانات التقنية في إدارة المياه
تعد القدرة على قياس رطوبة المنطقة الفادوسية في الوقت الفعلي أمرًا حاسمًا لإدارة استخدام المياه وجهود الحفاظ عليها. في المستقبل، يعتزم الفريق نشر التكنولوجيا في مناطق أخرى غير الصحراء. قالت فو: "نعلم أن هذه الطريقة تعمل بشكل جيد جدًا في هذا الموقع المحدد." وأضافت: "العديد من المناطق المثيرة للاهتمام ذات المناخ المماثل قد تكون لها عمليات هيدرولوجية مختلفة، مثل وسط كاليفورنيا، حيث تسحب عمليات الزراعة المياه، ولكن المنطقة أيضًا تستقبل ذوبان الثلوج من جبال سييرا نيفادا."
لم تُستخدم الأدوات الزلزالية قط لقياس رطوبة التربة على نطاق واسع ولفترة زمنية ممتدة ومستمرة مثل هذه. أصبح المشروع ممكنًا بفضل التمويل والدعم من معهد ريسنيك للاستدامة في كالتيك. قال نيل فرومر، المدير التنفيذي للبرامج في معهد ريسنيك للاستدامة: "هذه هي بالضبط نوع العلوم الإبداعية والمتعددة التخصصات التي صمم معهد ريسنيك لدعمها، من خلال جمع الزملاء الذين لم يكن ليتعاونوا معًا خلاف ذلك، ومن خلال هذا التعاون، تطوير أدوات جديدة يمكن أن تساعد في قياس وإدارة توفر المياه بشكل أكثر استدامة."
