Dürre und Grundwasser: Das Sacramento-Valley-Aquifersystem verliert dauerhaft Speicherkapazität

Die Risse in ausgedörrten Böden sind nur ein oberflächliches – wenn auch erschreckendes – Zeichen von Dürre.

Um die Folgen lang anhaltender Trockenperioden, die sich durch den Klimawandel verschärfen, wirklich zu erfassen, müssen Forschende verstehen, was tief unter der Erde passiert: in den Aquiferen der Welt.

Was im Untergrund passiert: Aquifere, Druck und Verformung

Aquifere sind schwammartige Süßwasserreservoire. Sie versorgen Gemeinden, die Landwirtschaft und Ökosysteme an der Oberfläche mit Wasser. Bleibt der Regen aus, der diese Speicher wieder auffüllt, oder wird zu viel Wasser entnommen, können sich Aquifere unter Umständen nicht mehr erholen.

Der Druck im Aquifer beeinflusst die Erdschichten darüber. Wenn Grundwasser abgepumpt wird, können sich die darüberliegenden Sedimente verdichten – entweder reversibel (elastisch), wenn der Aquifer später durch natürliche Neubildung wieder aufgefüllt wird, oder dauerhaft (inelastisch).

Im inelastischen Fall sind Wasserverlust und die damit verbundene Absenkung so stark, dass sich die geologische Schichtung nicht mehr zurückbildet. Dadurch schrumpft die Speicherkapazität des Aquifers dauerhaft – mit direkten Folgen dafür, wie viel Wasser er künftig liefern kann.

Sacramento-Valley-Aquifersystem: Dürredruck in Kaliforniens Agrarregion

Besonders im Fokus steht das Sacramento-Valley-Aquifersystem. Es versorgt Teile von Kaliforniens Central Valley, in dem – zusammen mit dem südlich angrenzenden San Joaquin Valley – rund ein Viertel der Nahrungsmittelproduktion der USA erwirtschaftet wird.

Neue Daten deuten darauf hin, dass die Kapazität dieses Aquifers durch schnelle und regelmäßige Süßwasserentnahme in den letzten Jahren inzwischen dauerhaft verringert wurde.

Wie die Studie in PNAS berichtet, war die Landabsenkung über dem Aquifer – also das Absinken von Schichten, die durch den unterirdischen Wasserspeicher mitgetragen werden – so rasch und so großflächig, dass dies auf eine irreversible Veränderung hindeutet.

Die Forschenden formulieren es in ihrer Arbeit so: „Alle verfügbaren Messungen deuten darauf hin, dass die beschleunigte Absenkung ab 2021 in erster Linie auf inelastische Kompaktion infolge der Grundwasserentnahme zurückzuführen ist.“

Und weiter: „Im Mittel kehrt die Geländeoberfläche selbst dann nicht in ihren Zustand vor 2021 zurück, wenn sich die Grundwasserstände durch saisonale Neubildung Ende 2021 wieder erholen – ein Hinweis auf irreversible Deformation.“

Satellitenmessungen zeigen den Kipppunkt der Landabsenkung

Um zu dieser Einschätzung zu gelangen, wertete das Team Daten von Satelliten aus, die mit Navigationssystemen und Radarinstrumenten ausgerüstet sind. Damit ließ sich über Jahre hinweg großräumig und präzise – bis in den Millimeterbereich – nachvollziehen, wie sich der Boden verformte.

Entscheidend dabei: Die Satellitendaten machten eine Kompaktion des Aquifers sichtbar, die sich allein aus Grundwassermessungen nicht hätte ableiten lassen.

Für die Jahre 2016-2020 zeigte sich laut den Daten, dass sich das Geländeniveau größtenteils wieder in Richtung der früheren Lage bewegte.

Ab 2021 hingegen betrug das Absinken in manchen Bereichen bis zu 50 Zentimeter pro Jahr (also etwa ein halber Meter) – um ein Vielfaches mehr als die reversiblen Werte zuvor, die bei etwa 2 Zentimetern pro Jahr (rund 20 Millimetern) lagen.

Die Autorinnen und Autoren schreiben dazu: „Indem wir diesen abrupten Übergang auf regionaler Ebene abbilden, zeigt unsere Analyse das Potenzial weltraumgestützter Überwachung für die frühzeitige Erkennung von Grundwasserübernutzung und dem daraus resultierenden Verlust der Aquiferspeicherkapazität weltweit.“

Verlust an Speichervolumen und Folgen für Wasserressourcen

Das Team schätzt, dass der jährliche Verlust an Wasserspeicherraum ab 2021 auf 0,2 Kubikkilometer anstieg (etwa 200 Millionen Kubikmeter) – ungefähr eine Verfünffachung im Vergleich zu den Jahren davor.

Das entspreche – bezogen auf Kapazität – dem Verlust von etwa 30 Prozent des jährlichen Wasserverbrauchs von Los Angeles: Ein kleiner gewordener Aquifer, der künftig weniger Wasser aufnehmen und vorhalten kann.

Aus Sicht der Forschenden spricht die Analyse der Größe, des Zeitpunkts und der räumlichen Ausdehnung der Verformungen im Sacramento Valley dafür, dass inelastische Kompaktion inzwischen der dominierende Mechanismus in der Region ist.

So fasst das Team die Bedeutung zusammen: „Eine derart schnelle und weitreichende Landabsenkung weist auf schwere inelastische Kompaktion und den Verlust der Speicherkapazität des darunterliegenden Aquifersystems hin – was eine ernsthafte Bedrohung für Kaliforniens Wasserressourcen und Infrastruktur darstellt.“

Warum bessere Überwachung trotzdem entscheidend ist

Bessere Daten allein stoppen weder die Erderwärmung noch machen sie Dürren seltener. Sie können jedoch helfen, Wasserressourcen gezielter zu bewirtschaften.

In diesem Fall registrierten Satelliten eine markante Veränderung, die ein Netz von mehr als 2.500 Grundwassermessbrunnen nicht offenlegte – allerdings zu spät, um noch wirksam gegensteuern zu können.

Die Forschenden betonen deshalb: „Eine Echtzeit-Überwachung von Oberflächenverschiebungen mittels Satellitengeodäsie, die ein integriertes Maß für interne Deformation über die gesamte Sedimentsäule liefert, hätte eine frühzeitige Erkennung dieses abrupten Übergangs ermöglichen und potenziell den Speicherverlust durch rechtzeitige Gegenmaßnahmen verringern können.“

Und weiter: „Der Aufbau solcher Fähigkeiten ist besonders wichtig in Regionen, in denen Vor-Ort-Monitoring nicht praktikabel ist, Grundwasserressourcen aber zunehmend lebenswichtig werden.“

Die Forschung wurde in PNAS veröffentlicht.

Dieser Artikel wurde von Fiona MacDonald auf Fakten geprüft und von Clare Watson redigiert. Auch wenn wir großen Wert auf unseren Prozess legen, sind wir nur Menschen. Wenn Ihnen ein Fehler auffällt, informieren Sie uns bitte.