Zaawansowana technologia radarowa, pierwotnie opracowana w celu wskazywania atakujących samolotów podczas drugiej wojny światowej, może wykryć zupełnie inny ruchomy cel: przesunięcia skorupy ziemskiej, które pojawiają się tak wolno, jak wzrost paznokci.
Dane radarowe z satelitów, takich jak Envisat ESA, są wykorzystywane do konstruowania „interferogramów”, które pokazują ruchy lądowe w skali milimetrowej. Te tęczowe obrazy zapewniają naukowcom nowe spojrzenie na ruchy tektoniczne oraz zwiększoną zdolność do obliczania zagrożeń pojawiających się, gdy ten zwolniony ruch przyspiesza, w postaci trzęsień ziemi lub aktywności wulkanicznej.
Dziesięcioprzyrządowy ładunek Envisat obejmuje instrument Advanced Synthetic Aperture Radar (ASAR) zaprojektowany do pozyskiwania obrazów radarowych powierzchni Ziemi. Częścią przypisanej „misji tła” Envisat, krążącej wokół świata co 100 minut, jest priorytetowe przejęcie ASAR nad pasy sejsmiczne, które pokrywają 15% powierzchni lądu.
„Zanim Envisat zakończy swoją nominalną pięcioletnią misję, powinniśmy mieć zadowalającą liczbę zdjęć na wszystkich pasach sejsmicznych” - powiedział profesor Barry Parsons z Centrum Obserwacji i Modelowania Trzęsień Ziemi i Tektoniki na Uniwersytecie Oksfordzkim.
„W celu wykrycia interesującego nas drobnego odkształcenia gruntu potrzebujemy powtarzających się obrazów radarowych z każdego miejsca. Następnie łączymy pary zdjęć za pomocą techniki zwanej interferometrią SAR lub w skrócie InSAR, aby pokazać wszelkie zmiany między przejęciami. ” (Aby uzyskać więcej informacji, patrz link: Jak działa interferometria?)
Aby dokładnie zmierzyć powolne narastanie naprężeń w miarę przesuwania się płyt tektonicznych wzdłuż pasów sejsmicznych Ziemi, łączonych jest wiele interferogramów, co wymaga wielu indywidualnych obrazów SAR.
„Powodem tego jest zminimalizowanie wszelkich zakłóceń atmosferycznych w stosunku do interesującego nas sygnału małego odkształcenia skorupy”, dodał Parsons. „Korzystając z danych z poprzedniej wersji ERS firmy Envisat, nasza grupa dokonała ostatnio pomiaru ruchu tektonicznego w zachodnim Tybecie z dokładnością do kilku milimetrów rocznie. Wyniki pokazują, że poślizg głównych wad w regionie jest znacznie mniejszy niż wcześniej sądzono, a płaskowyż tybetański deformuje się jak płyn. ”
InSAR może być również wykorzystany do analizy znacznie bardziej gwałtownego ruchu gruntu: badacze ostatnio wykorzystują dane Envisat do sporządzenia wykresu deformacji gruntu związanej z niezwykle aktywnym wulkanem Piton de la Fournaise na wyspie R? Union na Oceanie Indyjskim oraz do zidentyfikowania błędu, który spowodowało trzęsienie ziemi w Bam w Iranie w grudniu 2003 r.
Znalezienie błędu po katastrofie Bam
Ponad 26 000 osób zginęło 26 grudnia 2003 r., Kiedy trzęsienie ziemi o skali 6,3 Richtera zniszczyło iamskie miasto Bam. Jego starożytna cytadela? wyznaczyłeś miejsce światowego dziedzictwa? runął w gruzy. Karta w przestrzeni kosmicznej i poważne katastrofy została aktywowana, aby statki kosmiczne, w tym Envisat, uzyskały zdjęcia wspierające międzynarodowe działania pomocowe.
Po misji tła Envisat, zdjęcie z okolic Bam sprzed trzęsienia ziemi zostało pozyskane 3 grudnia 2003 r., A to zostało połączone z obrazem po trzęsieniu ziemi uzyskanym 7 stycznia 2004 r.? najwcześniejsza możliwa data ponownego nabycia ze względu na 35-dniowy globalny zasięg Envisat? wykonać InSAR.
„Po raz pierwszy dane Envisat zostały użyte do stworzenia interferogramu po poważnym trzęsieniu ziemi”, powiedział Parsons, część międzynarodowego zespołu badającego trzęsienie ziemi w Bam, w tym uczestnicy z Geological Survey of Iran i US Jet Propulsion Laboratory.
Wyniki były zaskakujące, ustalając, że chociaż Bam leży w pasie sejsmicznym, to szczególne trzęsienie nastąpiło z miejsca, którego nikt się nie spodziewał. Iran jest jak wypełnienie geologicznej kanapki, gdy płyta arabska zbliża się do Eurazji, a na jej terytorium występuje wiele uskoków sejsmicznych. W szczególności w uskokach Gowk położonych na zachód od Bam miało miejsce kilka dużych trzęsień w ciągu ostatnich dwóch dekad.
Jednak interferogram Envisat pokazał, że trzęsienie Bam było wynikiem zerwania wcześniej niewykrywalnej uskoku, który rozciąga się pod południową częścią miasta, a jego istnienie nie zostało uwzględnione przez badania naziemne. Usterka pojawiła się w interferogramie jako wyraźny pas nieciągłości, z ruchem po obu jej stronach od około pięciu do nawet 30 centymetrów.
Oprócz uwidocznienia takich zmian powierzchni wyniki InSAR mogą być wykorzystane do pośredniego podglądania pod ziemią, z modelami oprogramowania obliczającymi, jakie zjawiska geologiczne pasują do zdarzeń na powierzchni. W przypadku Bam odkryli, że poślizg przekraczający dwa metry miał miejsce na średniej głębokości 5,5 kilometra, wzdłuż wyraźnego rodzaju uskoku.
Wpada znowu z wizytą
Im dokładniej można sterować pozycją statku kosmicznego, tym mniejsza linia bazowa obrazu InSAR - odległość przestrzenna między akwizycjami obrazu początkowego i uzupełniającego - oraz lepsza jakość końcowego interferogramu. Podczas pierwszej wizyty Bam w Envisat linia bazowa była na tyle duża, że potrzebne były cyfrowe dane wysokościowe ERS, aby odjąć efekty topograficzne spowodowane przesuniętym kątem widzenia.
Jednak po kolejnej wizycie, 35 dni później, sterowanie statkiem kosmicznym było tak precyzyjne, że nie była wymagana kompensacja topograficzna, co stanowi ogromne osiągnięcie operacyjne dla Envisat.
„Nasz zespół Flight Dynamics obliczył dokładność 93 cm na podstawie dokładnych wyników wyznaczania orbity na podstawie DORIS (dopplerowska orbitografia i radiopozycjonowanie zintegrowane przez satelitę) oraz obserwacji na odległość za pomocą lasera” - powiedział Andreas Rudolph, kierownik Envisat Spacecraft.
„Aby osiągnąć tę dokładność, potrzebne były specjalne manewry orbitalne, a także ciężka praca zespołów w Europejskim Centrum Operacji Kosmicznych (ESOC) tutaj w Niemczech i Europejskim Instytucie Badań Kosmicznych (ESRIN) we Włoszech? nie wspominając o odrobinie szczęścia! ”
Pomiary aktywnego wulkanu
Interferometria radarowa służy do badania trzęsień ziemi i wulkanów - Envisat zbiera dane na temat jednego niezwykle żywego przykładu tego ostatniego.
Stojący 2631 metrów nad Oceanem Indyjskim wulkan Piton de la Fournaise nie leży wzdłuż pasów sejsmicznych lub powiązanego z nim „Pierścienia ognia”, ale? jak Hawaje po drugiej stronie planety? znajduje się nad „hotspotem” magmy w płaszczu Ziemi.
Institut de Physique du Globe de Paris (IPGP) prowadzi obserwatorium wulkanów in situ w celu monitorowania erupcji i związanej z tym działalności.
„Obserwujemy ten bazaltowy wulkan od 25 lat? jest to jeden z najbardziej aktywnych wulkanów na świecie ”- skomentował Pierre Briole z IPGP. „W ciągu ostatnich sześciu lat miało miejsce 13 erupcji, których średni czas trwania wynosił jeden miesiąc. Pomiędzy 1992 a 1998 rokiem był spokojny czas, a osiem erupcji miało miejsce między 1984 a 1992 rokiem. ”
Głębokie procesy podziemne napędzają aktywność wulkaniczną na powierzchni? pęknięcia lawy i erupcje występują z powodu kanałów lawy lub „grobli”, które wystają z komór magmowych pod wysokim ciśnieniem. Deformacja gruntu w górę lub w dół w pobliżu wulkanu zapewnia wgląd w to, co dzieje się pod ziemią, ale do niedawna liczba punktów naziemnych, które można było zmierzyć, była bardzo ograniczona.
„W czasach naziemnych instrumentów geodezyjnych mierzenie współrzędnych około 20 punktów z dokładnością około jednego centymetra zajęło kilka tygodni”, przypomniał sobie Briole. „Potem na początku lat 90. pojawił się globalny system pozycjonowania (GPS). Korzystając z GPS, możemy zwiększyć dziesięciokrotnie liczbę punktów mierzonych podczas tygodniowej kampanii z dokładnością do pół centymetra. Ale deformacja gruntu spowodowana erupcją jest zwykle wyjątkowo zlokalizowana w przestrzeni kosmicznej, a te 200 punktów jest rozmieszczonych w całym obszarze wulkanu. ”
Udoskonalenie GPS wymagało innej technologii kosmicznej: interferogramów Piton de la Fournaise, opartych na ponad 60 zdjęciach Envisat uzyskanych w ciągu ostatniego roku. IPGP jest częścią zespołu korzystającego z danych, który obejmuje również uczestników z Blaise Pascal (Clermont-Ferrand II) i uniwersytetów R? Union.
„Mamy szczęście z Piton de la Fournaise, ponieważ jego odległa lokalizacja na środku oceanu oznacza, że nie ma żadnych konfliktów z innymi potencjalnymi celami Envisat, dzięki czemu uzyskujemy więcej przejęć niż większość innych użytkowników zdjęć ASAR”, dodaje Briole . „InSAR z Envisat okazał się dla nas niezwykle potężnym narzędziem, ponieważ zapewnia bardzo dużą gęstość informacji w całym wulkanie.
„Ponieważ nowe erupcje mają miejsce tak często, nasze kampanie naziemne nie nadążają, ale interferometria dostarcza nam danych o każdej erupcji. A podczas gdy wulkan jest bardzo trudnym miejscem do działania? często przy słabej widoczności z pogody i bardzo stromej wschodniej flance? wszystkie części wulkanu aż do linii wegetacyjnej są dostępne w InSAR. ”
InSAR ujawnia wzór inflacji gruntu w miesiącach poprzedzających nową erupcję, wraz ze wzrostem ciśnienia w komorze magmy. Po erupcji ciśnienie maleje i następuje deflacja.
Ujawniono także zlokalizowane deformacje, które pojawiają się, gdy groble magmy rozprzestrzeniają się i docierają do powierzchni. Zakres deformacji związanej z nową szczeliną wskazuje na głębokość, z której się ona wywodzi? im szersza inflacja, tym głębiej pochodzi zapora.
Monitoring wulkaniczny InSAR został po raz pierwszy ustanowiony na podstawie danych ERS, tworząc interferogramy pokazujące, że we Włoszech wysoce aktywny Etna wydaje się „oddychać” między erupcjami. Badania interferogramów pozornie wygasłych wulkanów wzdłuż odległych części Andów wykazały ruch gruntu wskazujący, że niektóre z nich są nadal aktywne.
„Przy użyciu tej techniki istnieje wiele interesujących kierunków badań, w tym pytanie, czy można przewidzieć, kiedy wybuchnie wulkan, oraz - przy defektach sejsmicznych często występujących w pobliżu wulkanów - pytanie, czy aktywność sejsmiczna i erupcje wulkaniczne są powiązane ”, dodała Briole.
„Na razie nasz zespół jest zainteresowany jak najdokładniejszym scharakteryzowaniem Piton de la Fournaise, aby doskonalić techniki, które możemy później zastosować do wulkanów gdzie indziej i, jeśli to możliwe, zwiększyć liczbę przejęć, aby wykazać, że monitorowanie wulkanów InSAR ma potencjał operacyjny , zapewniając wczesne ostrzeżenie organom ochrony ludności. ”
Oryginalne źródło: ESA News Release
