Oprindeligt udviklet til at bestemme angribende fly under 2. verdenskrig, kan dagens avancerede radarteknologi registrere et meget andet bevægeligt mål: forskydninger af jordskorpen, der forekommer lige så langsomt som væksten af dine negle.
Radardata fra satellitter som ESAs Envisat bruges til at konstruere 'interferogrammer', der viser landbevægelser på millimeter. Disse regnbue-huede billeder giver forskere ny indsigt i tektonisk bevægelse og en forbedret evne til at beregne farer, der opstår, når denne langsom bevægelse fremskynder, i form af jordskælv eller vulkanaktivitet.
Den ti-instrumenters nyttelast på Envisat inkluderer et Advanced Synthetic Aperture Radar (ASAR) instrument designet til at erhverve radarbilleder af jordoverfladen. En del af Envisats tildelte 'baggrundsmission', da den kredser rundt om verden hvert 100 minut, er at prioritere ASAR-erhvervelser over de seismiske bælter, der dækker 15% af landoverfladen.
”Da Envisat afslutter sin nominelle fem-årige mission, skulle vi have en tilfredsstillende mængde billeder på tværs af alle seismiske bælter,” sagde professor Barry Parsons fra Center for Observation and Modelling of Earthquake and Tectonics ved Oxford University.
”For at detektere den fine jorddeformation, vi er interesseret i, kræver vi gentagne radarbilleder af hvert sted. Derefter kombinerer vi par billeder sammen ved hjælp af en teknik kaldet SAR-interferometri eller InSAR for kort for at vise enhver ændring mellem erhvervelser. ” (For mere information se link: Hvordan fungerer interferometri?)
For nøjagtigt at måle den langsomme opbygning af belastning, når tektoniske plader bevæger sig mod hinanden langs Jordens seismiske bælter, kombineres flere interferogrammer, der kræver mange individuelle SAR-billeder.
”Årsagen til dette er at minimere enhver atmosfærisk interferens i forhold til det lille skorpedeformationssignal, vi er interesseret i,” tilføjede Parsons. ”Ved hjælp af data fra Envisats forgænger ERS har vores gruppe for nylig målt tektoniske bevægelser over det vestlige Tibet med en nøjagtighed på et par millimeter om året. Resultaterne viser, at glidepriserne over de største fejl i regionen er meget mindre end man tidligere havde troet, og at det tibetanske plateau deformerer som en væske. ”
InSAR kan også bruges til at analysere langt mere pludselig jordbevægelse: Forskere har for nylig benyttet Envisat-data til at kortlægge jorddeformation, der er forbundet med den ekstremt aktive vulkan fra Piton de la Fournaise på R Union Union i Det Indiske Ocean, og til at identificere den fejl, forårsagede Irans Bam-jordskælv i december 2003.
Finder fejl efter Bam-katastrofen
Mere end 26.000 mennesker blev dræbt den 26. december 2003, da et jordskælv i 6,3 Richter skala ødelagde den iranske oase by Bam. Dens gamle citadel? udpeget et verdensarvsted? kollapsede i murbrokker. Chartret om rum- og større katastrofer blev aktiveret, så rumfartøjer inklusive Envisat erhvervede billeder til støtte for international nødhjælpsindsats.
Efter Envisats baggrundsopgave blev der erhvervet et billede før jordskælvet af Bam-området den 3. december 2003, og dette blev kombineret med et billede efter jordskælvet, der blev erhvervet den 7. januar 2004? den tidligste genindkøbsdato mulig på grund af Envisats 35-dages globale dækning? at udføre InSAR.
”Dette er første gang, at Envisat-data er blevet brugt til at producere et interferogram efter et stort jordskælv,” sagde Parsons, en del af et internationalt team, der studerer Bam-jordskælvet, inklusive deltagere fra Geological Survey of Iran og US Jet Propulsion Laboratory.
Resultaterne var overraskende, idet de konstaterede, at selvom Bam ligger i et seismisk bælte, var denne særlige jordskælv kommet fra et punkt, som ingen havde forventet. Iran er som at udfylde en geologisk sandwich, når den arabiske plade går videre til Eurasia, og så opstår der mange seismiske fejl inden for dets territorium. Mest bemærkelsesværdigt har Gowk-fejlen, der ligger vest for Bam, haft flere store jordskælv, der har fundet sted i løbet af de sidste to årtier.
Imidlertid viste Envisat-interferogrammet, at Bam-jordskælvet var resultatet af brud på en tidligere uopdaget fejl, der strækker sig under den sydlige del af byen, og dens eksistens blev savnet af jordundersøgelser. Fejlen dukkede op som et tydeligt bånd af diskontinuitet i interferogrammet, hvor hver side af det bevægede sig fra omkring fem op til så højt som 30 centimeter.
Ud over at fremhæve sådanne overfladeforandringer kan InSAR-resultater bruges til indirekte at kikke under jorden med softwaremodeller, der beregner, hvilke geologiske forekomster der passer til overfladebegivenhederne. Hos Bam fandt de, at en glid på over to meter havde fundet sted i en gennemsnitlig dybde på 5,5 kilometer langs en bestemt type fejl.
Kommer igen
Jo mere præcist et rumfartøjs position kan kontrolleres, jo mindre er InSAR-billedets baseline - den rumlige afstand mellem oprindelige og opfølgende billedoptagelser - og jo bedre er kvaliteten af det endelige interferogram. Under Envisats indledende Bam-revision var baseline stor nok til, at der var brug for ERS digitale elevationsdata for at trække topografiske effekter forårsaget af en forskudt synsvinkel.
For dens efterfølgende revision, 35 dage senere, var styringen af rumfartøjet imidlertid så præcis, at der ikke var behov for topografisk kompensation, hvilket repræsenterede en formidabel operationel præstation for Envisat.
”Vores Flight Dynamics-team har beregnet en nøjagtighed på 93 cm ved hjælp af præcise orbitbestemmelsesresultater fra DORIS (Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite) og laserintervaller,” siger Envisat rumfartøjschef Andreas Rudolph.
”Der krævede specielle kredsløbmanøvrer for at opnå denne nøjagtighed sammen med hårdt arbejde fra teams på European Space Operations Center (ESOC) her i Tyskland og European Space Research Institute (ESRIN) i Italien? for ikke at nævne lidt held! ”
Kortlægning af en aktiv vulkan
Radarinterferometri bruges til at studere jordskælv såvel som vulkaner - Envisat har indsamlet data om et ekstremt livligt eksempel på sidstnævnte.
Stående 2631 meter over Det Indiske Ocean ligger vulkanen Piton de la Fournaise ikke langs seismiske bælter eller den tilknyttede 'Ring of Fire', men? som Hawaii på den anden side af planeten? det er placeret over en magma 'hotspot' i jordens mantel.
Institut de Physique du Globe de Paris (IPGP) driver et vulkanobservatorium på stedet for at overvåge udbrud og tilknyttet aktivitet.
”Vi har observeret denne basaltiske vulkan i de sidste 25 år? det er en af de mest aktive vulkaner i verden, ”kommenterede Pierre Briole fra IPGP. ”I de sidste seks år har der været 13 udbrud med en gennemsnitlig varighed på en måned. Mellem 1992 og 1998 var en stille tid, mens otte udbrud forekom mellem 1984 og 1992. ”
Dybe underjordiske processer driver vulkanisk aktivitet overflade? lavasprækker og udbrud forekommer på grund af lavakanaler eller 'diger', der strækker sig op fra magamkamre med højt tryk. Jorddeformation enten op eller ned i nærheden af en vulkan giver indsigt i, hvad der foregår under jorden, men indtil for nylig var mængden af jordpunkter, der kunne måles, meget begrænset.
”Tilbage i tiden med jordbaserede geodetiske instrumenter tog det flere uger at måle koordinaterne på måske 20 point til en nøjagtighed på cirka en centimeter,” huskede Briole. ”Så i de tidlige 1990'ere kom GPS (Global Positioning System). Ved hjælp af GPS kunne vi øge antallet af mål, der blev målt ti gange i løbet af en uges lang kampagne, ned til en halv centimeter nøjagtighed. Men jorddeformationen forårsaget af et udbrud er typisk ekstremt lokaliseret i rummet, og disse 200 punkter er spredt ud over vulkanens område. ”
Det krævede en anden pladsbaseret teknologi at forbedre GPS: interferogrammer af Piton de la Fournaise, baseret på mere end 60 Envisat-billeder erhvervet i løbet af det sidste år. IPGP er en del af et team, der gør brug af de data, der også inkluderer deltagere fra Blaise Pascal (Clermont-Ferrand II) og R? Unionuniversiteter.
”Vi er heldige med Piton de la Fournaise, fordi dets fjerntliggende placering midt i havet betyder, at der ikke er sammenstød med andre potentielle Envisat-mål, og derfor får vi flere erhvervelser end de fleste af de andre brugere af ASAR-billeder,” tilføjede Briole . ”InSAR fra Envisat har vist sig at være et ekstremt kraftfuldt værktøj for os, fordi det giver en meget høj informationstæthed over hele vulkanen.
”Med nye udbrud, der finder sted så ofte, kunne vores jordkampagner ikke holde trit, men interferometri giver os data om hvert udbrud. Og mens vulkanen er meget vanskeligt at operere i? ofte med dårligt synlighed fra vejret og en meget stejl østflanke? alle dele af vulkanen ned til vegetationslinjen er tilgængelige med InSAR. ”
InSAR afslører et mønster af jordinflation i månederne forud for et nyt udbrud, når trykket i magma-kammeret stiger. Efter et udbrud falder trykket, og deflationen opstår.
Lokaliserede deformationer afsløres også, når magma diges forplantes og når overfladen. Omfanget af deformationen, der er forbundet med en ny sprækker, indikerer dybden, hvorfra den stammer? jo bredere inflationen er, jo dybere ned er diget kommet fra.
InSAR-vulkansk overvågning blev først etableret ved hjælp af ERS-data, hvilket producerede interferogrammer, der viser Italiens meget aktive Mount Etna, der ser ud til at 'trække vejret' mellem udbrud. Og interferogramundersøgelser af tilsyneladende uddøde vulkaner langs fjerntliggende dele af Andesbjergene har vist jordbevægelse, hvilket indikerer, at nogle faktisk er aktive.
”Der er masser af interessante undersøgelseslinjer ved hjælp af denne teknik, herunder spørgsmålet om, hvorvidt det er muligt at forudsige, hvornår en vulkan skal udbrude, og - med seismiske fejl, der ofte forekommer i nærheden af vulkaner, - spørgsmålet om seismisk aktivitet og vulkanudbrud er knyttet, ”tilføjede Briole.
”For nu er vores team interesseret i at karakterisere Piton de la Fournaise så nøjagtigt som vi kan, til perfekte teknikker, som vi senere kan anvende til vulkaner andre steder og om muligt at øge antallet af anskaffelser for at demonstrere, at InSAR-overvågning af vulkaner har operationelt potentiale , der giver tidlig advarsel til civilbeskyttelsesmyndighederne. ”
Original kilde: ESA News Release
