Миссии GRACE и GRACE-FO с 2002 года следят за тем, как меняется гравитационное поле Земли, а значит, и распределение масс на ее поверхности. Но прибор чувствует всю воду в вертикальном столбе сразу: в почве, снегу, листве и водоносных горизонтах. Чтобы выделить только подземные воды, из спутникового сигнала вычитают остальные запасы, рассчитанные моделями. Но возникают три главных проблемы: разрешение спутников – сотни километров, между двумя миссиями GRACE и GRACE-FO был почти годовой перерыв, а гидрологические модели систематически занижают самые сильные тренды.
Человечество тратит подземные воды настолько активно, что отклоняется земная ось
Подземные воды – крупнейший доступный человечеству запас пресной воды, но он уменьшается и следить за ним трудно. Наблюдательных скважин мало, а спутники видят лишь массу всей воды, а не только подземной. Исследователи из Бангладеш соединили данные гравиметрических миссий GRACE с нейросетью, которой запретили нарушать законы физики, и получили непрерывную карту изменения запасов подземных вод всей планеты за двадцать лет. Ученые также оценили отклонение земной оси, вызванное перераспределением массы Земли.
Космический аппарат GRACE-FO измеряет изменение гравитационного поля Земли. Википедия
Спутники GRACE летели друг за другом на расстоянии около 220 км. Пролетая над избытком массы – горным хребтом или полным водой бассейном, – передний спутник чуть ускорялся и отрывался от заднего. Микроволновый дальномер ловил эти изменения дистанции с точностью порядка микрона. Так спутники составили гравитационную карту Земли. В 2018 их заменили спутники GRACE-FO, снабженные лазерным интерферометром, еще более чувствительным.
Глобальная область реконструкции, состоящая из 55 364 ячеек размером в полградуса, представлена в проекции Equal Earth над основными системами водоносных горизонтов по данным WHYMAP и границами уровня 3 HydroBASINS, с исключением зон с постоянным ледяным покровом и поверхностными водами, определенными на основе масок с шагом в полградуса, разработанных в рамках данного исследования, как показано на панели а. Регионы самого интенсивного водозабора окрашены коричневым.
Арпон Саркар и его коллеги из Инженерно-технологического университета Кхулны построили реконструкцию на сетке в полградуса за период с апреля 2002 по декабрь 2022 года. Нейросеть типа LSTM, способная «помнить» прошлые состояния, раскладывала сигнал на тренд, сезонный цикл и остаток. Физику встроили как жесткие ограничения: тренд каждой ячейки не может превышать приток влаги из атмосферы, а баланс масс каждого речного бассейна соблюдался при обучении. На глобальной сети скважин, не участвовавших в обучении, тренды оказались точнее, чем у независимой гидрологической модели и продукта с ассимиляцией данных. Работа размещена на сервере arXiv.
Продолжение ниже
Видео
Продолжение
Полюс чувствует воду
Рисовые поля в Пенджабе, Индия. Засушливый Пенджаб стал «рисовой чашей» Индии. но рис потребляет огромное количество воды из водоносных горизонтов.
Общее истощение – потеря воды по всем измеренным в ячейках глобальной сетки со значимым падением запасов – составило 358 ± 12 кубических километров в год. Но водоносные слои не только расходуются, но и пополняются пополняются, поэтому чистое изменение по всей суше гораздо меньше: −36 ± 18 кубических километров в год. Посколько вся потерянная вода стекает в мировой океан, это дает 0,1 мм подъема уровня океана в год. Главные регионы расхода воды – это равнины Инда и Ганга (здесь скорость истощения водоносных горизонтов самая высокая), Северо-Китайская равнина, Месопотамия и западное побережье Каспия, Центральная долина Калифорнии и юг Великих равнин США.
Перераспределение масс сдвигает ось вращения Земли: полюс дрейфует на 6,9 см в год вдоль 68,6° восточной долготы, это примерно соответствует направлению на Индию, то есть за это отклонение во многом отвечают индийские рисовые поля с огромным расходом подземных вод. Направление, полученное в новой работе всего на 4,5° отличается от оценки 2023 года, но скорость смещения в полтора раза выше. Авторы считают, что их метод восстанавливает амплитуду сигнала, которую гравиметрия спутников GRACE занижает.
Запуск следующей еще более точной гравиметрической пары спутников GRACE-C, намечен на конец 2028 года. Но проблема в том, что точность глобальной карты теперь ограничивают не спутники или моделями, а знанием о породах под ногами: чтобы перевести изменение массы в кубометры воды, нужно понимать, из чего сложен водоносный слой, а это почти нигде не измерено.
Загружаем