Oorspronkelijk ontwikkeld om aanvallende vliegtuigen te lokaliseren tijdens de Tweede Wereldoorlog, kan de geavanceerde radartechnologie van vandaag een heel ander bewegend doel detecteren: verschuivingen van de aardkorst die net zo langzaam optreden als de groei van je vingernagels.
Radardata van satellieten zoals ESA's Envisat worden gebruikt om ‘interferogrammen’ te construeren die landbewegingen op millimeterschaal weergeven. Deze regenboogkleurige afbeeldingen bieden wetenschappers nieuwe inzichten in tektonische beweging en een verbeterd vermogen om gevaren te berekenen die ontstaan wanneer deze slow motion versnelt, in de vorm van aardbevingen of vulkanische activiteit.
Het laadvermogen van tien instrumenten op Envisat omvat een Advanced Synthetic Aperture Radar (ASAR) -instrument dat is ontworpen om radarbeelden van het aardoppervlak te verkrijgen. Een deel van Envisats toegewezen ‘achtergrondmissie’ omdat het elke 100 minuten om de wereld draait, is om ASAR-acquisities voorrang te geven boven de seismische banden die 15% van het landoppervlak beslaan.
"Tegen de tijd dat Envisat zijn nominale missie van vijf jaar voltooit, zouden we een bevredigend aantal beelden moeten hebben over alle seismische banden", zegt professor Barry Parsons van het Centrum voor de Observatie en Modellering van Aardbevingen en Tektoniek aan de Universiteit van Oxford.
“Om de fijne bodemvervorming waar we in geïnteresseerd zijn te detecteren, hebben we van elke locatie herhaalde radarbeelden nodig. Vervolgens combineren we beeldenparen met behulp van een techniek die SAR-interferometrie wordt genoemd, of kortweg InSAR, om eventuele veranderingen tussen overnames zichtbaar te maken. ” (Zie voor meer informatie de link: Hoe werkt interferometrie?)
Om nauwkeurig de langzame opbouw van spanning te meten terwijl tektonische platen langs de aardse seismische banden tegen elkaar bewegen, worden meerdere interferogrammen gecombineerd, wat veel individuele SAR-afbeeldingen vereist.
"De reden hiervoor is om atmosferische interferentie te minimaliseren, in verhouding tot het kleine vervormingssignaal van de aardkorst waarin we geïnteresseerd zijn," voegde Parsons toe. “Met behulp van gegevens van Envisats voorganger ERS, heeft onze groep onlangs tektonische bewegingen in West-Tibet gemeten met een nauwkeurigheid van enkele millimeters per jaar. De resultaten laten zien dat de slipfrequenties over de belangrijkste fouten in de regio veel kleiner zijn dan eerder werd gedacht en dat het Tibetaanse plateau als een vloeistof vervormt. ”
InSAR kan ook worden gebruikt om veel abruptere bewegingen van de grond te analyseren: onderzoekers hebben onlangs Envisat-gegevens gebruikt om de vervorming van de grond in verband met de extreem actieve Piton de la Fournaise-vulkaan op R? Union Island in de Indische Oceaan te identificeren, en om de fout te identificeren die veroorzaakte de aardbeving in Iran in december 2003.
Fout vinden na de Bam-ramp
Op 26 december 2003 kwamen meer dan 26.000 mensen om het leven toen een aardbeving met een schaal van 6,3 Richter de Iraanse oasestad Bam verwoestte. Zijn oude citadel? aangewezen als werelderfgoed? stortte in puin in. Het Handvest voor ruimte en grote rampen werd geactiveerd zodat ruimtevaartuigen, waaronder Envisat, beelden verwierven om internationale hulpinspanningen te ondersteunen.
Na de achtergrondmissie van Envisat was op 3 december 2003 een beeld van voor de aardbeving verkregen van de omgeving van Bam, en dit werd gecombineerd met een beeld van na de aardbeving dat op 7 januari 2004 was verkregen? de vroegste datum van herovername mogelijk vanwege Envisat's wereldwijde dekking van 35 dagen? om InSAR uit te voeren.
"Dit is de eerste keer dat Envisat-gegevens zijn gebruikt om een interferogram te produceren na een grote aardbeving", zegt Parsons, onderdeel van een internationaal team dat de aardbeving in Bam bestudeert, inclusief deelnemers van de Geological Survey of Iran en het US Jet Propulsion Laboratory.
De resultaten waren verrassend en toonden aan dat hoewel Bam in een seismische gordel ligt, deze aardbeving afkomstig was van een punt dat niemand had verwacht. Iran is als het vullen van een geologische sandwich terwijl de Arabische plaat naar Eurazië trekt en er binnen zijn grondgebied zoveel seismische fouten optreden. Met name de Gowk-fout ten westen van Bam heeft de afgelopen twee decennia verschillende grote aardbevingen ondergaan.
Uit het Envisat-interferogram bleek echter dat de aardbeving in Bam het gevolg was van de breuk van een voorheen niet-ontdekte fout die zich uitstrekt onder het zuidelijke deel van de stad, waarvan het bestaan werd gemist door grondonderzoek. De fout kwam naar voren als een duidelijke discontinuïteit in het interferogram, met beweging aan weerszijden variërend van ongeveer vijf tot wel 30 centimeter.
Naast het benadrukken van dergelijke oppervlakteveranderingen, kunnen InSAR-resultaten worden gebruikt om indirect onder de grond te kijken, met softwaremodellen die berekenen welke geologische gebeurtenissen passen bij de oppervlakte-gebeurtenissen. Met Bam ontdekten ze een slip van meer dan twee meter op een gemiddelde diepte van 5,5 kilometer, langs een duidelijk type fout.
Ik kom weer rond
Hoe nauwkeuriger de positie van een ruimtevaartuig kan worden gecontroleerd, hoe kleiner de InSAR-beeldbasislijn - de ruimtelijke afstand tussen initiële en vervolgbeeldacquisities - en hoe beter de kwaliteit van het uiteindelijke interferogram. Tijdens de eerste Bam-herhaling van Envisat was de basislijn groot genoeg dat ERS digitale hoogtegegevens nodig waren om topografische effecten, veroorzaakt door een verschoven kijkhoek, af te trekken.
Maar voor de daaropvolgende herhaling, 35 dagen later, was de besturing van het ruimtevaartuig zo nauwkeurig dat er geen topografische compensatie nodig was, wat een formidabele operationele prestatie voor Envisat was.
"Ons Flight Dynamics-team heeft een nauwkeurigheid van 93 cm berekend met behulp van nauwkeurige baanbepalingsresultaten van DORIS (Doppler Orbitography and Radiopposition Integrated by Satellite) en laserafstandsobservaties", aldus Envisat Spacecraft Manager Andreas Rudolph.
“Er waren speciale baanmanoeuvres nodig om deze nauwkeurigheid te bereiken, samen met hard werk van teams van het European Space Operations Center (ESOC) hier in Duitsland en het European Space Research Institute (ESRIN) in Italië? om nog maar te zwijgen van geluk! '
Een actieve vulkaan onderzoeken
Radarinterferometrie wordt gebruikt om zowel aardbevingen als vulkanen te bestuderen - Envisat heeft gegevens verzameld over een uiterst levendig voorbeeld van de laatste.
De Piton de la Fournaise-vulkaan staat 2631 meter boven de Indische Oceaan en bevindt zich niet langs seismische banden of de bijbehorende 'Ring of Fire', maar? zoals Hawaï aan de andere kant van de planeet? het bevindt zich boven een magma ‘hotspot’ in de aardmantel.
Het Institut de Physique du Globe de Paris (IPGP) heeft een in-situ vulkaanobservatorium om uitbarstingen en bijbehorende activiteiten te volgen.
'We hebben deze basaltachtige vulkaan de afgelopen 25 jaar geobserveerd? het is een van de meest actieve vulkanen ter wereld ”, aldus Pierre Briole van IPGP. “De afgelopen zes jaar zijn er 13 uitbarstingen geweest, met een gemiddelde duur van één maand. Tussen 1992 en 1998 was het een rustige tijd, terwijl tussen 1984 en 1992 acht uitbarstingen plaatsvonden. ”
Diepe ondergrondse processen sturen vulkanische activiteit aan het oppervlak? lavaspleten en uitbarstingen treden op als gevolg van lavakanalen of 'dijken' die zich uitstrekken van magmakamers onder hoge druk. Bodemvervorming naar boven of naar beneden in de buurt van een vulkaan geeft inzicht in wat er ondergronds gebeurt, maar tot voor kort was het aantal te meten grondpunten zeer beperkt.
"In de tijd van geodetische instrumenten op de grond duurde het enkele weken om de coördinaten van misschien 20 punten te meten, met een nauwkeurigheid van ongeveer een centimeter", herinnerde Briole zich. “Begin jaren negentig kwam het Global Positioning System (GPS). Met behulp van GPS konden we het aantal gemeten punten vertienvoudigen tijdens een campagne van een week, tot een nauwkeurigheid van een halve centimeter. Maar de vervorming van de grond als gevolg van een uitbarsting is typisch extreem gelokaliseerd in de ruimte, en deze 200 punten zijn verspreid over het vulkaangebied. "
Er was nog een ruimtegebaseerde technologie nodig om de GPS te verbeteren: interferogrammen van Piton de la Fournaise, gebaseerd op meer dan 60 Envisat-afbeeldingen die het afgelopen jaar zijn verkregen. IPGP maakt deel uit van een team dat gebruik maakt van de gegevens, waaronder ook deelnemers van Blaise Pascal (Clermont-Ferrand II) en R? Union Universities.
"We hebben geluk met Piton de la Fournaise, omdat de afgelegen locatie in het midden van de oceaan betekent dat er geen botsingen zijn met andere potentiële Envisat-doelen, en dus krijgen we meer acquisities dan de meeste andere gebruikers van ASAR-beelden," voegde Briole toe . “InSAR van Envisat is voor ons een buitengewoon krachtig hulpmiddel gebleken, omdat het een zeer hoge dichtheid aan informatie over de hele vulkaan biedt.
“Met nieuwe uitbarstingen die zo vaak plaatsvonden, konden onze grondcampagnes het niet bijhouden, maar interferometrie geeft ons gegevens over elke uitbarsting. En terwijl de vulkaan een erg moeilijke plek is om te opereren? vaak met slecht zicht door het weer en een zeer steile oostelijke flank? alle delen van de vulkaan tot aan de vegetatielijn zijn toegankelijk met InSAR. ”
InSAR laat een patroon zien van grondinflatie in de maanden voorafgaand aan een nieuwe uitbarsting, naarmate de druk in de magmakamer toeneemt. Na een uitbarsting neemt de druk af en treedt deflatie op.
Ook onthuld zijn gelokaliseerde vervormingen die optreden wanneer magma-dijken zich voortplanten en de oppervlakte bereiken. De omvang van de vervorming geassocieerd met een nieuwe kloof geeft de diepte aan waarop deze ontstaat? hoe breder de inflatie, hoe dieper de dijk vandaan komt.
InSAR-vulkanische monitoring werd voor het eerst vastgesteld met behulp van ERS-gegevens, waarbij interferogrammen werden geproduceerd die de zeer actieve Etna van Italië leken te 'ademen' tussen uitbarstingen. En interferogramonderzoeken van schijnbaar uitgestorven vulkanen langs afgelegen delen van de Andes hebben grondbewegingen laten zien, wat erop wijst dat sommigen in feite nog steeds actief zijn.
“Er zijn tal van interessante onderzoekslijnen die deze techniek gebruiken, waaronder de vraag of het mogelijk is om te voorspellen wanneer een vulkaan uitbarst, en - met seismische fouten die vaak voorkomen in de buurt van vulkanen - de vraag of seismische activiteit en vulkaanuitbarstingen zijn verbonden, 'voegde Briole toe.
“Voorlopig is ons team geïnteresseerd in het zo nauwkeurig mogelijk karakteriseren van Piton de la Fournaise, om technieken te perfectioneren die we later kunnen toepassen op vulkanen elders en indien mogelijk om het aantal overnames te vergroten om te bewijzen dat InSAR-monitoring van vulkanen operationele potentie heeft , waardoor de autoriteiten voor civiele bescherming vroegtijdig worden gewaarschuwd. "
Oorspronkelijke bron: ESA News Release
