Elk jaar stoppen miljoenen bezoekers van het Grand Canyon National Park bij een waterstation, zich er totaal niet van bewust dat hun hydratatie afhankelijk is van een door grotten gevoede bron genaamd Roaring Springs aan de North Rim - een plek zo ontoegankelijk dat er geen pad naartoe leidt. Deze enkele bron voorziet niet alleen toeristen, maar ook de planten, dieren en hele ecosystemen die de canyon hun thuis noemen. En naarmate de regio heter en droger wordt, wordt het beschermen van deze vitale waterbron steeds belangrijker, want niets zegt 'vakantie' als een door droogte veroorzaakte watercrisis.

Onderzoekers van de Northern Arizona University's School of Informatics, Computing, and Cyber Systems zijn ermee bezig, in een poging te begrijpen hoe Roaring Springs en andere door grotten gevoede bronnen eigenlijk werken. Met een nieuwe subsidie van Grand Canyon National Park zullen ze hun inspanningen uitbreiden om deze watersystemen in kaart te brengen en uit te zoeken hoe smeltwater verbinding maakt met de bronnen. "Begrijpen waar het water zinkt is cruciaal voor de infrastructuur, de dieren, de planten en de rest van de ecosystemen die afhankelijk zijn van deze bronnen," zei Blase LaSala, een Ph.D.-student in eco-informatica. "Ze zijn als oases." Vroege bevindingen werden onlangs gepubliceerd in Scientific Reports, want blijkbaar verdient zelfs grotwater peer review.

De meeste mensen zullen nooit de grotten betreden die de bronnen van de Grand Canyon voeden - ze zijn gesloten voor het publiek en bevinden zich vaak ver van bestaande paden. Dus moeten wetenschappers creatief zijn. Voor zijn doctoraatsonderzoek werkte LaSala samen met professor Temuulen "Teki" Sankey, een expert in remote sensing, om gedetailleerde kaarten te maken van verschillende grotsystemen. Met behulp van een mobiele lidar-scanner produceerde het team 3D-modellen met hoge resolutie die grotwanden, plafonds, gangen en kamers in opmerkelijk detail vastlegden. Gedurende 45 dagen documenteerden onderzoekers, vrijwilligers en parkpersoneel meer dan 10 kilometer aan ondergrondse gangen en kamers. "Ik had geen idee hoe groot en lang deze grotten zijn," gaf Sankey toe. "De grotten van de Grand Canyon zijn nog nooit zo in 3D in kaart gebracht." Het werk vereiste een grote logistieke inspanning: teamleden droegen rugzakken met een gewicht tot 55 pond, inclusief lidar-apparatuur, terwijl ze naar afgelegen grotingangen liepen die soms wel twee dagen konden duren om te bereiken. Eenmaal binnen klommen, abseilden, kropen en dreven ze zelfs door overstroomde delen terwijl ze de vormen en breukpatronen van de grotten vastlegden. Gewoon een doordeweekse donderdag, eigenlijk.

De eenvoudigste verklaring voor waar het water vandaan komt is smeltwater van het Kaibab Plateau. De moeilijkere vraag is hoe dat water ondergronds reist voordat het tevoorschijn komt bij bronnen zoals Roaring Springs. De door grotten gevoede bronnen bevinden zich in Redwall- en Muav-kalksteenformaties, met verschillende gesteentelagen ertussen en het oppervlak. Eerdere kleurstofexperimenten door het park hebben aangetoond dat water verrassend snel kan bewegen - in sommige tests reisde kleurstof die in zinkgaten op het plateau werd gegoten ongeveer 20 kilometer en verscheen bij bronnen in slechts een week. Hoe het precies beweegt blijft onzeker, waarbij breuken, scheuren, gesteentepermeabiliteit en ondergrondse paden allemaal een rol spelen. "Het is alsof je naar een zwarte doos kijkt," zei LaSala. "Je ziet wat erin gaat en wat eruit komt, maar het is heel moeilijk te kwantificeren wat er daarbinnen gebeurt."

Het begrijpen van deze paden is niet alleen academisch: het heeft praktische implicaties voor waterkwaliteit en openbare veiligheid. De grootste bronnen van de Grand Canyon worden gevoed door karstsystemen, die Sankey vergelijkt met "Zwitserse kaas" vanwege de talrijke gaten, kanalen en openingen in het gesteente. Water beweegt snel door deze paden, waardoor er weinig kans is op natuurlijke filtratie - wat betekent dat verontreinigingen zoals afstroming van bosbranden of E. coli ook snel kunnen reizen. Als verontreiniging wordt gedetecteerd, kunnen parkfunctionarissen tijdelijk pompbewerkingen stilleggen totdat het probleem is aangepakt. Door te identificeren waar water het systeem binnenkomt en te traceren hoe het beweegt, kunnen onderzoekers beheerders helpen verontreinigingsbronnen aan te wijzen en het risico op toekomstige verstoringen te verminderen.