Ursprungligen utvecklad för att fastställa attackerande flygplan under andra världskriget, kan dagens avancerade radarteknologi upptäcka ett helt annat rörligt mål: förskjutningar av jordskorpan som uppträder lika långsamt som tillväxten av dina naglar.
Radardata från satelliter som ESA: s Envisat används för att konstruera "interferogram" som visar landrörelser på millimeter. Dessa regnbågefärgade bilder ger forskare nya insikter om tektonisk rörelse och en förbättrad förmåga att beräkna faror som uppstår när denna långsam rörelse påskyndas, i form av jordbävningar eller vulkanisk aktivitet.
Den tio-instrumentiga nyttolasten på Envisat innehåller ett Advanced Synthetic Aperture Radar (ASAR) instrument som är utformat för att skaffa radarbilder av jordens yta. En del av Envisats tilldelade 'bakgrundsuppdrag' när det går runt världen var 100: e minut är att prioritera ASAR-förvärv över de seismiska bälten som täcker 15% av landytan.
”När Envisat avslutar sitt nominella femåriga uppdrag borde vi ha en tillfredsställande mängd bilder över alla seismiska bälten,” sade professor Barry Parsons från Center for Observation and Modelling of Earthquake and Tectonics vid Oxford University.
”För att upptäcka den fina markdeformationen vi är intresserad av, kräver vi upprepade radarbilder på varje webbplats. Vi kombinerar sedan bildpar tillsammans med en teknik som kallas SAR-interferometri, eller InSAR för kort, för att visa alla förändringar mellan förvärv. " (För mer information se länk: Hur fungerar interferometri?)
För att noggrant mäta långsam uppbyggnad av töjningar när tektoniska plattor rör sig mot varandra längs jordens seismiska bälten kombineras flera interferogram, vilket kräver många individuella SAR-bilder.
"Anledningen till detta är att minimera all atmosfärisk störning i förhållande till den lilla skorpsdeformationssignalen vi är intresserad av," tillade Parsons. ”Med hjälp av data från Envisats föregångare ERS har vår grupp nyligen uppmätt tektoniska rörelser över västra Tibet med en noggrannhet på några millimeter per år. Resultaten visar att glidhastigheterna över de största felen i regionen är mycket mindre än man tidigare hade trott och att den tibetanska platån deformeras som en vätska. ”
InSAR kan också användas för att analysera mycket mer abrupt markrörelse: forskare har nyligen använt Envisat-data för att kartlägga markdeformation i samband med den extremt aktiva vulkanen Piton de la Fournaise på R Union i Indiska oceanen och för att identifiera felet som orsakade Irans Bam-jordbävning i december 2003.
Att hitta fel efter Bam-katastrofen
Mer än 26000 människor dödades den 26 december 2003, när en jordbävning på 6,3 Richter omfattade den iranska oasstaden Bam. Dess gamla citadell? utsett en världsarv? kollapsade i spillror. Stadgan om rymd och större katastrofer aktiverades så att rymdfarkoster inklusive Envisat förvärvade bilder för att stödja internationella hjälpinsatser.
Efter Envisats bakgrundsuppdrag hade en bild från jordbävningen förvärvats i närheten av Bam den 3 december 2003, och detta kombinerades med en bild efter jordbävningen som förvärvades 7 januari 2004? det tidigaste möjliga återköpsdatumet på grund av Envisats 35-dagars globala täckning? att utföra InSAR.
"Detta är första gången som Envisat-data har använts för att producera ett interferogram efter en stor jordbävning," säger Parsons, del av ett internationellt team som studerar Bam-jordbävningen inklusive deltagare från Geological Survey of Iran och US Jet Propulsion Laboratory.
Resultaten var överraskande och konstaterade att medan Bam ligger i ett seismiskt bälte, hade denna speciella jordbävning kommit från en punkt som ingen hade förväntat sig. Iran är som att fylla i en geologisk smörgås när den arabiska plattan går fram till Eurasien, och så många seismiska fel inträffar inom dess territorium. Det mest anmärkningsvärda är att Gowk-felet väster om Bam har haft flera stora jordbävningar ägt rum under det under de senaste två decennierna.
Men Envisat-interferogram visade att Bam-jordbävningen hade resulterat i brott av ett tidigare oupptäckt fel som sträcker sig under den södra delen av staden, dess existens missade av markundersökningar. Felet visade sig som ett distinkt band för diskontinuitet i interferogrammet, med rörelse på båda sidor av det som sträcker sig från cirka fem upp till så högt som 30 centimeter.
Förutom att markera sådana ytförändringar kan InSAR-resultat användas för att indirekt kika under marken, med mjukvarumodeller som beräknar vilka geologiska händelser som passar ythändelserna. Med Bam fann de att en glidning som översteg två meter hade ägt rum på ett medeldjup på 5,5 kilometer, längs en särskild typ av fel.
Kommer igen
Ju mer exakt ett rymdskepps position kan kontrolleras, desto mindre är InSAR-baslinjen - det rumsliga avståndet mellan inledande och uppföljande bildförvärv - och desto bättre kvalitet på det slutliga interferogrammet. Under Envisats första Bam-granskning var baslinjen tillräckligt stor för att ERS-digitala höjdata behövdes för att subtrahera topografiska effekter orsakade av en förskjuten synvinkel.
Men för dess efterföljande granskning, 35 dagar senare, var styrningen av rymdskeppet så exakt att ingen topografisk kompensation krävdes, vilket representerade en formidabel operationell prestation för Envisat.
"Vårt Flight Dynamics-team har beräknat en noggrannhet på 93 cm med hjälp av exakta resultat för bestämning av banor från DORIS (Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite) och laserobservationer," säger Envisat rymdskeppschef Andreas Rudolph.
”Särskilda kretsmanövrar krävdes för att uppnå denna noggrannhet, tillsammans med hårt arbete från team vid European Space Operations Center (ESOC) här i Tyskland och European Space Research Institute (ESRIN) i Italien? för att inte nämna lite tur! ”
Kartläggning av en aktiv vulkan
Radarinterferometri används för att studera jordbävningar såväl som vulkaner - Envisat har samlat in data om ett extremt livligt exempel på det senare.
Piton de la Fournaise vulkan ligger 2631 meter över Indiska oceanen och ligger inte längs seismiska bälten eller tillhörande 'Ring of Fire' men? som Hawaii på andra sidan planeten? den är placerad ovanför en magma "hotspot" i jordens mantel.
Institut de Physique du Globe de Paris (IPGP) driver ett vulkanobservatorium på plats för att övervaka utbrott och tillhörande aktivitet.
”Vi har observerat denna basaltiska vulkan under de senaste 25 åren? det är en av de mest aktiva vulkanerna i världen, ”kommenterade Pierre Briole från IPGP. ”Under de senaste sex åren har det varit 13 utbrott, med en genomsnittlig varaktighet på en månad. Mellan 1992 och 1998 var en tyst tid, medan åtta utbrott inträffade mellan 1984 och 1992. ”
Djupa underjordiska processer driver ytan vulkanisk aktivitet? lavasprickor och utbrott inträffar på grund av lavakanaler eller "dikar" som sträcker sig upp från magma kammare med högt tryck. Markdeformation antingen upp eller ner i närheten av en vulkan ger insikter om vad som sker under jord, men tills nyligen var mängden markpunkter som kunde mätas mycket begränsad.
"Tillbaka till tiden för markbaserade geodetiska instrument tog det flera veckor att mäta koordinaterna på kanske 20 poäng, till en noggrannhet på cirka en centimeter," minns Briole. ”Sedan i början av 1990-talet kom GPS (Global Positioning System). Med GPS kan vi öka antalet poäng som mäts tiofaldigt under en veckolång kampanj, ner till en halv centimeter noggrannhet. Men markdeformationen orsakad av ett utbrott är vanligtvis extremt lokaliserad i rymden, och dessa 200 punkter är utspridda över vulkanens område. "
Det krävde en annan rymdbaserad teknik för att förbättra GPS: interferogram av Piton de la Fournaise, baserat på mer än 60 Envisat-bilder som förvärvats under det senaste året. IPGP är en del av ett team som använder sig av uppgifterna som också inkluderar deltagare från Blaise Pascal (Clermont-Ferrand II) och R? Fackuniversitet.
"Vi har tur med Piton de la Fournaise, eftersom dess avlägsna plats i mitten av havet innebär att det inte finns några kollisioner med andra potentiella Envisat-mål, och därför får vi fler förvärv än de flesta andra användare av ASAR-bilder," tillade Briole . ”InSAR från Envisat har visat sig vara ett extremt kraftfullt verktyg för oss eftersom det ger en mycket hög informationstäthet över hela vulkanen.
”När nya utbrott äger rum så ofta kunde våra markkampanjer inte hålla jämna steg men interferometri ger oss data om varje utbrott. Och medan vulkanen är mycket svår att använda i? ofta med dålig sikt från vädret och en mycket brant östflank? alla delar av vulkanen ner till vegetationslinjen är tillgängliga med InSAR. ”
InSAR avslöjar ett mönster av markinflation under månaderna före ett nytt utbrott, när trycket i magmakammaren ökar. Efter ett utbrott minskar trycket och deflationen inträffar.
Också avslöjade är lokala deformationer som inträffar när magma dikes sprider sig och når ytan. Omfattningen av deformationen som är förknippad med en ny spricka indikerar djupet på vilket det kommer? ju bredare inflationen är, desto djupare ner har vallen kommit från.
InSAR-vulkanövervakning inrättades först med hjälp av ERS-data, vilket producerade interferogram som visade att Italiens mycket aktiva Mount Etna tycks 'andas' mellan utbrott. Och interferogramundersökningar av tydligen utrotade vulkaner längs avlägsna delar av Anderna har visat markrörelse som indikerar att vissa faktiskt fortfarande är aktiva.
”Det finns många intressanta undersökningslinjer med denna teknik, inklusive frågan om det är möjligt att förutsäga när en vulkan ska utbrott, och - med seismiska fel som ofta förekommer nära vulkaner - frågan om seismisk aktivitet och vulkanutbrott är länkade, ”tilllade Briole.
”För närvarande är vårt team intresserade av att karakterisera Piton de la Fournaise så exakt som vi kan, till perfekta tekniker som vi senare kan tillämpa för vulkaner någon annanstans och om möjligt öka antalet förvärv för att visa att InSAR-övervakning av vulkaner har operativ potential , ger tidig varning för civilskyddsmyndigheterna. ”
Originalkälla: ESA News Release
