Separating secular depletion from drought: a detrended storage-deficit characterization of groundwater across Arizona’s Active Management Areas from GRACE observations (2002–2023)

Wasser ist das Lebenselixier von Arizona, einem Bundesstaat, in dem die Sonne auf weite Wüsten niederbrennt und der Colorado River ein ferner, manchmal unzuverlässiger Versprecher ist. Seit Jahrzehnten verlassen sich die Menschen dort stark auf das Wasser, das unter ihren Füßen verborgen liegt, indem sie es aus tiefen unterirdischen Reservoirs pumpen, um zu trinken, Lebensmittel anzubauen und ihre Städte am Laufen zu halten. Doch dieser verborgene Vorrat ist nicht unendlich und verändert sich auf eine Weise, die von der Oberfläche aus schwer zu erkennen ist. Um zu verstehen, was geschieht, haben sich Wissenschaftler einem einzigartigen Werkzeug zugewandt: Satelliten, die die Erde wiegen können. Diese Satelliten, Teil einer Mission namens GRACE, machen keine Bilder vom Boden; stattdessen messen sie winzige Veränderungen der Schwerkraft, die durch die Bewegung von Wasser verursacht werden. Wenn eine Region eine massive Menge an Wasser verliert, wird das Land dadurch etwas leichter, und die Satelliten können diese Verschiebung registrieren. Diese Fähigkeit, den unsichtbaren Wasserfluss über ganze Landschaften hinweg zu sehen, hat ein neues Fenster dazu geöffnet, wie sich die Wassersysteme unseres Planeten verhalten.

Das Betrachten dieser Daten stellt jedoch ein kniffliges Rätsel dar. Wenn Wissenschaftler über einen Zeitraum von zwanzig Jahren einen stetigen Rückgang des Grundwasserspiegels beobachten, ist es schwierig zu unterscheiden, ob eine Trockenperiode nur eine vorübergehende Dürre ist – ein kurzfristiger Mangel im Vergleich zum Normalzustand – oder ob sie Teil eines viel tiefer liegenden, langfristigen Problems ist, bei dem das Wasser einfach für immer verschwindet. Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, einem einzelnen Tromschlag in einem Lied zuzuhören, das von Sekunde zu Sekunde leiser wird; ohne die Abnahme der Lautstärke zu berücksichtigen, könnten Sie denken, jeder Schlag sei schwach, während in Wirklichkeit einige Schläge genauso laut sind wie früher, aber das Hintergrundrauschen sich verändert hat. In Arizona ist diese Verwirrung entscheidend, denn die Lösungen für eine vorübergehende Dürre sind völlig andere als die Lösungen für einen dauerhaften Wasserverlust. Wenn Verwalter einen langfristigen Rückgang als vorübergehende Dürre behandeln, könnten sie auf Regen warten, der nie kommt. Wenn sie eine vorübergehende Trockenperiode als dauerhaften Verlust behandeln, könnten sie in Panik geraten und unnötige Kürzungen bei der Wasserversorgung vornehmen.

Eine neue Studie unter der Leitung von Md Rayhan von der Bangladesh University of Engineering and Technology befasst sich genau mit diesem Problem, indem sie sechs spezifische Regionen in Arizona untersucht, die als Active Management Areas bekannt sind. Diese Gebiete, zu denen Großstädte wie Phoenix und Tucson sowie ländliche Zonen wie Douglas und Prescott gehören, sind Orte, an denen der Bundesstaat die Wassernutzung streng regelt. Der Forscher analysierte einundzwanzig Jahre an Daten, von 2002 bis 2023, um den langsamen, stetigen Rückgang des Grundwassers von den scharfen, vorübergehenden Einbrüchen durch Dürren zu trennen. Die Studie bestätigt, was viele bereits vermuteten: Jede einer dieser sechs Regionen verliert Grundwasser in einer signifikanten Rate. Die Wasserstände sinken um Mengen zwischen etwa fünf und acht Millimetern pro Jahr – ein stetiger Rückgang, der stattfindet, unabhängig davon, ob es regnet oder nicht. Dies ist die säkulare Depletion, der langfristige Verlust an Speicherfähigkeit, der sich über die Zeit ansammelt.

Der eigentliche Durchbruch der Studie liegt jedoch darin, wie der Forscher die Daten betrachtete, nachdem er diesen langfristigen Rückgang herausgerechnet hatte. Durch das mathematische Glätten des stetigen Abfalls konnte der Wissenschaftler die wahre Gestalt der Dürren erkennen, die darunter verborgen lagen. Ohnd diese Anpassung hätte eine Standardmethode zur Messung von Dürren suggeriert, dass der gesamte Zeitraum nach 2019 eine einzige, ununterbrochene Katastrophe war. Sobald der langfristige Trend herausgerechnet wurde, zeichnete sich ein anderes Bild ab. Die Daten zeigten, dass das Wasser zwar auf lange Sicht tatsächlich verschwindet, die Dürren selbst jedoch eigenständige Ereignisse sind, die kommen und gehen. Einige Regionen erleben Dürren, die häufig, aber relativ kurz und mild sind, während andere weniger Dürren erleben, die dafür viel länger und schwerwiegender sind.

Die Studie fand heraus, dass die sechs Regionen nicht alle auf die gleiche Weise leiden. Die Gebiete um Prescott und Phoenix beispielsweise erleben weniger Dürreereignisse, aber wenn diese auftreten, dauern sie länger und treffen härter zu. Die tiefsten Dürren in diesen Gebieten sahen Wasserstände, die fast viermal so tief unter der Trendlinie lagen wie die normale Variation. Im Gegensatz dazu stehen die Regionen von Douglas, Tucson und Santa Cruz vor Dürren, die häufiger vorkommen, aber diese Ereignisse tendieren dazu, kürzer und weniger intensiv zu sein. Trotz dieser Unterschiede darin, wie sich die Dürren anfühlen, zeigt die Studie, dass die Regionen dennoch miteinander verbunden sind; wenn ein Gebiet austrocknet, folgen die anderen oft, was darauf hindeutet, dass ein großflächiges Wettermuster den gesamten Bundesstaat beeinflusst. Dennoch variiert die lokale Reaktion, was bedeutet, dass ein Einheitsansatz beim Wassermanagement nicht in der Lage wäre, die spezifischen Bedürfnisse jeder Gemeinschaft zu adressieren.

Vielleicht ist die wichtigste Erkenntnis, dass sich die Rangfolge, welche Gebiete am meisten in Schwierigkeiten sind, ändert, je nachdem, wie man das Problem betrachtet. Wenn man nur auf die Geschwindigkeit des langfristigen Rückgangs schaut, ist Douglas das am stärksten belastete Gebiet, da es Wasser schneller verliert als jedes andere. Wenn man jedoch die Schwere der vorübergehenden Dürren betrachtet, rückt Phoenix auf der Liste der Besorgnis nach oben. Phoenix weist den langsamsten langfristigen Wasserverlust auf, leidet aber – wenn der langfristige Rückgang berücksichtigt wird – unter einigen der intensivsten und langwierigsten Dürreereignisse. Diese Unterscheidung ist für Wasserverwalter von entscheidender Bedeutung. Es bedeutet, dass eine Stadt wie Phoenix, die vielleicht sicherer erscheint, weil ihr Grundwasserspiegel langsam sinkt, tatsächlich einem hohen Risiko durch schwere, vorübergehende Engpässe ausgesetzt ist, die eine sofortige Notfallplanung erfordern. Umgekehrt steht Douglas vor einem unerbittlichen, stetigen Abzug, der langfristige Strategien zur dauerhaften Reduzierung des Wasserverbrauchs erfordert.

Die Forschung führte auch eine Methode ein, um die Gesamtmenge des Wassers zu messen, das verloren gegangen ist und nie wieder regeneriert wurde. Indem sie verfolgten, wie weit die aktuellen Wasserstände unter die höchsten jemals aufgezeichneten Werte gefallen sind, zeigte die Studie, dass einige Gebiete, insbesondere Prescott und Douglas, um mehr als zweihundert Millimeter unter ihre historischen Höchststände gesunken sind. Dies ist nicht nur ein vorübergehender Einbruch; es ist ein kumulativer Verlust, der einen fundamentalen Wandel in der Gesundheit des Aquifers darstellt. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass Beamte, um Wasser in Arizona klug zu verwalten, aufhören müssen, Depletion und Dürre als dasselbe zu behandeln. Sie müssen Werkzeuge nutzen, die den Unterschied zwischen einem langsamen, stetigen Leck und einer plötzlichen, scharfen Trockenperiode erkennen können. Durch die Trennung dieser beiden Prozesse bietet die Studie eine klarere Karte der Risiken, denen der Wasserversorgung des Bundesstaates gegenübersteht, und schafft eine Grundlage für Entscheidungen, die sowohl die unmittelbaren Bedürfnisse der Bevölkerung als auch das langfristige Überleben der unterirdischen Reservoirs schützen können.