نقشه‌برداری تحقیقات مبتنی بر هوش مصنوعی از کاهش برگشت‌ناپذیر آبخوان‌های اصلی برزیل

در زیر سطح قلب وسیع کشاورزی برزیل، بحرانی پنهان نهفته است که اکنون تازه از فضا قابل مشاهده شده است. برای دهه‌ها، مخازن عظیم زیرزمینی این کشور به عنوان یک حائل نامرئی در برابر خشکسالی عمل کرده‌اند و رشد انفجاری بخش کشاورزی را که بخش قابل توجهی از جهان را تغذیه می‌کند، حفظ کرده‌اند. با این حال، یک تحلیل جدید و پیشگامانه نشان داده است که چندین مورد از حیاتی‌ترین آبخوان‌های برزیل دچار کاهش شدید و مداوم شده‌اند. این ذخایر آب زیرزمینی که ترکیبی از خشکسالی‌های ناشی از تغییرات اقلیمی، جنگل‌زدایی و پمپاژ فشرده برای آبیاری، آنها را به پیش می‌راند، با سرعتی در حال کوچک شدن هستند که از پر شدن طبیعی آنها فراتر می‌رود. این یافته‌ها که اخیراً در مجله «ساینس ادونسز» (Science Advances) منتشر شده‌اند، جامع‌ترین ارزیابی از آب زیرزمینی برزیل تا به امروز را نشان می‌دهند که از هوش مصنوعی برای پر کردن شکاف‌های گسترده در داده‌های پایش فیزیکی استفاده کرده است.[1][6]

برزیل بزرگترین ذخایر آب شیرین تجدیدپذیر جهان را در اختیار دارد، به طوری که رودخانه‌ها و دریاچه‌های آن تقریباً بیست درصد از تخلیه آب داخلی سیاره به اقیانوس‌ها را تشکیل می‌دهند. با این حال، علی‌رغم این فراوانی سطحی، این کشور به شدت به آبخوان‌های زیرزمینی خود متکی است که بیش از نیمی از کل تأمین آب کشور را فراهم می‌کنند. این سازندهای زمین‌شناسی که از سنگ‌های متخلخل، ماسه و شن تشکیل شده‌اند، حجم عظیمی از آبی را که طی هزاران سال انباشته شده، ذخیره می‌کنند. به عنوان مثال، آبخوان گوارانی (Guarani) دومین سیستم آبخوان شناخته شده بزرگ در جهان است که در زیر برزیل، آرژانتین، پاراگوئه و اروگوئه گسترش یافته است. در حالی که گوارانی و سایر سیستم‌های عظیم مانند آبخوان اوروکویا برای حفظ جریان‌های پایه رودخانه‌ها و حمایت از اکوسیستم‌های طبیعی حیاتی هستند، به طور فزاینده‌ای به شریان حیاتی کشاورزی تجاری تبدیل شده‌اند.[1][3][5]

نظارت بر سلامت این غول‌های زیرزمینی از لحاظ تاریخی یک کابوس لجستیکی و مالی بوده است. حفر و نگهداری چاه‌های مشاهده‌ای در سراسر کشوری با ابعاد قاره‌ای برزیل، بسیار پرهزینه است. در نتیجه، شبکه یکپارچه پایش آب زیرزمینی برزیل در مقایسه با آرایه‌های متراکم موجود در ایالات متحده یا هند، پراکنده باقی مانده است. به عنوان مثال، سیستم آبخوان اوروکویا، با وجود اینکه بیشترین نظارت را در برزیل دارد، دارای تراکم چاهی است که بسیار کمتر از استانداردهای بین‌المللی است و بخش‌های وسیعی از آبخوان را اساساً اندازه‌گیری نشده باقی می‌گذارد. این کمبود داده‌های دقیق، مدت‌هاست که تأثیر واقعی گسترش کشاورزی و تغییرات اقلیمی بر ذخایر آب زیرزمینی کشور را پنهان کرده و اجازه داده است که کاهش آب در زیر خاک بدون توجه تسریع شود.[1][3][6]

برای غلبه بر این کمبود داده، محققان ناسا و مؤسسات برزیلی به ترکیبی بدیع از مشاهدات فضایی و هوش مصنوعی روی آوردند. هسته اصلی رویکرد آنها متکی بر داده‌های مأموریت بازیابی گرانش و آزمایش اقلیمی (GRACE) و جانشین آن، GRACE Follow-On است. این مأموریت‌های ماهواره‌ای دوقلو از زمین عکس نمی‌گیرند؛ بلکه نوسانات میکروسکوپی در میدان گرانشی سیاره را که ناشی از حرکت مقادیر عظیم آب است، اندازه‌گیری می‌کنند. با ردیابی این ناهنجاری‌های گرانشی، دانشمندان می‌توانند تغییرات در کل ذخیره آب را تشخیص دهند. با این حال، داده‌های GRACE به تنهایی نمی‌توانند بین آب سطحی، رطوبت خاک و آب زیرزمینی عمیق تمایز قائل شوند. برای جداسازی متغیر آب زیرزمینی، تیم تحقیقاتی مدل‌های پیشرفته یادگیری ماشینی را با استفاده از داده‌های محدود چاه‌های موجود، سوابق هواشناسی و نقشه‌های زمین‌شناسی آموزش دادند.[1][6]

نقشه‌های با وضوح بالا که از این طریق به دست آمدند، نگاهی آشکار و بی‌سابقه به دو دهه پویایی آب زیرزمینی در سراسر ۸.۵ میلیون کیلومتر مربع برزیل ارائه کردند. بازسازی مبتنی بر هوش مصنوعی یک تضاد جغرافیایی واضح را نشان داد. در حالی که آبخوان‌های حوضه آمازون نوسانات فصلی طبیعی مرتبط با بارندگی و سیلاب رودخانه‌ها را نشان می‌دادند، مناطقی که تحت سلطه کشاورزی فشرده و کاربری تجاری زمین بودند، الگوی بسیار متفاوتی از خود بروز دادند. در مرکز و شرق برزیل، به ویژه در زیست‌بوم سِرادو (Cerrado)، مدل‌ها کاهش شدید و مداوم آب زیرزمینی را شناسایی کردند. در برخی از مناطقی که بیشترین بهره‌برداری از آنها صورت گرفته، محققان سال‌هایی را مشاهده کردند که آبخوان‌ها تقریباً هیچ تغذیه‌ای از بارندگی دریافت نکرده بودند، به این معنی که هر قطره‌ای که به سطح پمپاژ می‌شد، یک کسر دائمی از یک حساب پس‌انداز زمین‌شناسی محدود بود.[1][6]

آبخوان اوروکویا، که در زیر مرکز قدرت کشاورزی غرب باهیا قرار دارد، به عنوان یکی از مهم‌ترین قربانیان این رونق استخراج ظاهر شد. طی دو دهه گذشته، اوروکویا ده‌ها کیلومتر مکعب از حجم آب خود را از دست داده است. این منطقه از دهه ۱۹۸۰ دستخوش تحول ریشه‌ای شده است، به طوری که مناطق وسیعی از پوشش گیاهی بومی سِرادو برای ایجاد مزارع تک‌کشتی سویا، ذرت و پنبه پاکسازی شده‌اند. برای به حداکثر رساندن بازده و حفظ تولید در تمام طول سال، علی‌رغم فصل خشک مشخص، کشاورزان به طور فزاینده‌ای به سیستم‌های آبیاری محوری روی آورده‌اند که به شدت از اوروکویا برداشت می‌کنند. تحلیل هوش مصنوعی تأیید می‌کند که جوامع محلی و هیدرولوژیست‌ها مدت‌هاست به آن مشکوک بوده‌اند: نرخ استخراج برای این عملیات‌های کشاورزی گسترده بسیار فراتر از نرخ تغذیه طبیعی آبخوان است.[1][3]

کاهش آبخوان صرفاً مسئله پایین آمدن سطح آب نیست؛ در بسیاری از سازندهای زمین‌شناسی، برداشت بیش از حد می‌تواند منجر به آسیب ساختاری برگشت‌ناپذیر شود. هنگامی که آب از سنگ‌ها و رسوبات متخلخلی که آبخوان را تشکیل می‌دهند، پمپاژ می‌شود، فشار هیدرواستاتیک که به حمایت از زمین رویی کمک می‌کند، از بین می‌رود. اگر سطح آب بیش از حد پایین بیاید، وزن زمین در بالا می‌تواند باعث فشرده شدن و فروریختن منافذ خالی شود. هنگامی که این فشرده‌سازی رخ می‌دهد، آبخوان به طور دائمی ظرفیت ذخیره‌سازی خود را از دست می‌دهد. حتی اگر بارندگی شدید در نهایت به منطقه بازگردد، سنگ فشرده شده دیگر نمی‌تواند همان حجم آب را در خود نگه دارد، به این معنی که آبخوان هرگز نمی‌تواند به طور کامل به وضعیت تاریخی خود بازگردد. این تخریب فیزیکی یک منبع تجدیدپذیر را به یک منبع محدود تبدیل می‌کند.[6]

الگوهای کاهش مشاهده شده در قلب کشاورزی برزیل شباهت چشمگیر و نگران‌کننده‌ای به بحرانی دارد که در زیر دشت‌های بزرگ ایالات متحده در حال وقوع است. آبخوان اوگالالا، که هشت ایالت آمریکا را در بر می‌گیرد و تقریباً سی درصد از تولید محصولات آبیاری شده کشور را پشتیبانی می‌کند، از زمان پذیرش گسترده آبیاری مکانیزه پس از جنگ جهانی دوم، به شدت پمپاژ شده است. دهه‌ها برداشت، حجم اشباع شده اوگالالا را به طور قابل توجهی کاهش داده و منجر به خشک شدن چاه‌ها، از بین رفتن جمعیت ماهی‌ها در جریان‌های متصل و بازگشت اجباری به کشاورزی دیم در مناطق آسیب‌دیده شده است. داده‌های جدید هوش مصنوعی نشان می‌دهد که آبخوان اوروکویا و بخش‌هایی از گوارانی برزیل اکنون دقیقاً همین مسیر را دنبال می‌کنند و از استفاده پایدار به سمت استخراج سریع آب باستانی در حال گذار هستند.[1][4]

در حالی که پمپاژ کشاورزی مکانیسم اصلی استخراج است، تغییرات اقلیمی به عنوان یک عامل تشدیدکننده قدرتمند تهدید عمل می‌کند. نویسندگان این مطالعه اشاره می‌کنند که کمبود طولانی‌مدت بارندگی، آسیب‌پذیری زیربنایی را ایجاد می‌کند که استخراج انسانی آن را تشدید می‌نماید. افزایش دمای جهانی نرخ تبخیر و تعرق (evapotranspiration) را افزایش داده است – فرآیندی که طی آن آب از طریق تبخیر از خاک و تعرق از گیاهان از زمین به جو منتقل می‌شود. همانطور که جو رطوبت بیشتری طلب می‌کند، بارندگی کمتری از مسیر خود در خاک جان سالم به در می‌برد تا آبخوان‌ها را تغذیه کند. علاوه بر این، پاکسازی پوشش گیاهی بومی ریشه‌دار در سِرادو، اقلیم‌های محلی را تغییر می‌دهد، که اغلب باعث کاهش بارندگی منطقه‌ای شده و مخازن زیرزمینی را از تغذیه حیاتی خود بیشتر محروم می‌کند.[1][3][6]

پیامدهای بحران آب زیرزمینی برزیل بسیار فراتر از مرزهای ملی آن گسترش یافته و ثبات زنجیره تأمین غذای جهانی را تهدید می‌کند. برزیل یک ابرقدرت کشاورزی است و در حال حاضر به عنوان بزرگترین صادرکننده سویا، گوشت گاو و قهوه در جهان و یک تأمین‌کننده اصلی ذرت و شکر شناخته می‌شود. تجارت جهانی سویا به ویژه بسیار متمرکز است، به طوری که برزیل تقریباً چهل درصد از تولید جهانی را به خود اختصاص داده است. کشورهای سراسر آسیا و اروپا به شدت به صادرات برزیل برای تغذیه دام‌های خود و حفظ سیستم‌های غذایی خود متکی هستند. مناطقی که شدیدترین کاهش آبخوان را تجربه می‌کنند، دقیقاً همان مناطقی هستند که مسئول تولید این مازاد عظیم کشاورزی هستند.[2][6]

آب زیرزمینی به عنوان حائل نهایی کشاورزی عمل می‌کند و به کشاورزان اجازه می‌دهد حتی زمانی که باران‌های فصلی قطع می‌شوند، بازده محصول ثابتی داشته باشند. از آنجایی که تغییرات اقلیمی الگوهای آب و هوایی را نامنظم‌تر و خشکسالی‌های سطحی را مکررتر می‌کند، این حائل زیرزمینی برای امنیت غذایی جهانی اهمیت فزاینده‌ای پیدا می‌کند. با این حال، مدل‌های هوش مصنوعی نشان می‌دهند که برزیل به سرعت در حال مصرف این بیمه‌نامه است. اگر آبخوان‌ها تا جایی تخلیه شوند که پمپاژ از نظر اقتصادی غیرقابل توجیه یا از نظر فیزیکی غیرممکن شود، کشاورزی برزیل به طور کامل به بارندگی غیرقابل پیش‌بینی وابسته خواهد شد. یک خشکسالی شدید در برزیلِ پس از آبخوان، منجر به شکست فاجعه‌بار محصولات می‌شود و امواج شوک را از طریق بازارهای جهانی کالاها ارسال کرده و قیمت مواد غذایی را در سراسر جهان افزایش خواهد داد.[1][2][6]

رسیدگی به بحران نامرئی کاهش آبخوان‌ها مستلزم یک تغییر اساسی در نحوه ارزش‌گذاری و مدیریت آب است. در حال حاضر، آب زیرزمینی در بسیاری از نقاط جهان به عنوان یک منبع نامحدود و رایگان تلقی می‌شود که حداکثر استخراج را برای منافع اقتصادی کوتاه‌مدت تشویق می‌کند. معکوس کردن این روند نیازمند چارچوب‌های نظارتی سخت‌گیرانه، از جمله اجرای سهمیه‌های سخت‌گیرانه پمپاژ، گسترش شبکه‌های پایش فیزیکی برای تأیید صحت مدل‌های هوش مصنوعی، و گذار به سمت شیوه‌های کشاورزی کم‌آب‌بر خواهد بود. در حالی که ابزارهای هوش مصنوعی توسعه یافته توسط ناسا و محققان برزیلی سرانجام ابعاد این مشکل را روشن کرده‌اند، این فناوری تنها می‌تواند بیماری را تشخیص دهد. درمان نیازمند انتخاب‌های دشوار سیاسی و اقتصادی است تا اطمینان حاصل شود که پایه و اساس سیستم غذایی جهانی در زیر پای ما فرو نمی‌ریزد.[2][3][6]