Ursprünglich entwickelt, um angreifende Flugzeuge während des Zweiten Weltkriegs zu lokalisieren, kann die heutige fortschrittliche Radartechnologie ein ganz anderes sich bewegendes Ziel erkennen: Verschiebungen der Erdkruste, die so langsam auftreten wie das Wachstum Ihrer Fingernägel.
Radardaten von Satelliten wie Envisat der ESA werden verwendet, um Interferogramme zu erstellen, die Landbewegungen im Millimeterbereich zeigen. Diese regenbogenfarbenen Bilder bieten Wissenschaftlern neue Einblicke in die tektonische Bewegung und eine verbesserte Fähigkeit, Gefahren zu berechnen, die entstehen, wenn diese Zeitlupe in Form von Erdbeben oder vulkanischer Aktivität beschleunigt wird.
Die Nutzlast von Envisat mit zehn Instrumenten umfasst ein Advanced Synthetic Aperture Radar (ASAR) -Instrument, mit dem Radarbilder der Erdoberfläche aufgenommen werden können. Ein Teil der von Envisat zugewiesenen „Hintergrundmission“, die alle 100 Minuten die Welt umkreist, besteht darin, ASAR-Akquisitionen Vorrang vor den seismischen Gürteln zu geben, die 15% der Landoberfläche bedecken.
"Bis Envisat seine nominelle fünfjährige Mission abgeschlossen hat, sollten wir über alle seismischen Gürtel hinweg eine zufriedenstellende Anzahl von Bildern haben", sagte Professor Barry Parsons vom Zentrum für die Beobachtung und Modellierung von Erdbeben und Tektonik an der Universität Oxford.
„Um die feine Bodenverformung zu erkennen, an der wir interessiert sind, benötigen wir wiederholte Radarbilder von jedem Standort. Anschließend kombinieren wir Bildpaare mithilfe einer Technik namens SAR-Interferometrie, kurz InSAR, um Änderungen zwischen den Erfassungen festzustellen. “ (Weitere Informationen finden Sie unter Link: Wie funktioniert die Interferometrie?)
Um den langsamen Spannungsaufbau genau zu messen, wenn sich tektonische Platten entlang der seismischen Gürtel der Erde gegeneinander bewegen, werden mehrere Interferogramme kombiniert, die viele einzelne SAR-Bilder erfordern.
"Der Grund dafür ist die Minimierung jeglicher atmosphärischer Interferenzen im Verhältnis zu dem kleinen Krustenverformungssignal, an dem wir interessiert sind", fügte Parsons hinzu. „Unter Verwendung von Daten aus dem Vorgänger-ERS von Envisat hat unsere Gruppe kürzlich die tektonische Bewegung in Westtibet mit einer Genauigkeit von wenigen Millimetern pro Jahr gemessen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Schlupfraten bei den Hauptfehlern in der Region viel geringer sind als bisher angenommen und dass sich das tibetische Plateau wie eine Flüssigkeit verformt. “
InSAR kann auch verwendet werden, um viel abruptere Bodenbewegungen zu analysieren: Forscher haben kürzlich Envisat-Daten verwendet, um die Bodenverformung des extrem aktiven Vulkans Piton de la Fournaise auf der Insel R? Union im Indischen Ozean aufzuzeichnen und den Fehler zu identifizieren verursachte im Dezember 2003 das iranische Erdbeben in Bam.
Fehler finden nach der Bam-Katastrophe
Mehr als 26000 Menschen wurden am 26. Dezember 2003 getötet, als ein Erdbeben der Stärke 6,3 die iranische Oasenstadt Bam verwüstete. Seine alte Zitadelle? zum Weltkulturerbe erklärt? in Trümmer gefallen. Die Charta für Weltraum- und Katastrophenkatastrophen wurde aktiviert, damit Raumfahrzeuge einschließlich Envisat Bilder zur Unterstützung internationaler Hilfsmaßnahmen erhielten.
Nach der Hintergrundmission von Envisat wurde am 3. Dezember 2003 ein Bild vor dem Erdbeben in der Umgebung von Bam aufgenommen, das mit einem Bild nach dem Erdbeben kombiniert wurde, das am 7. Januar 2004 aufgenommen wurde. der frühestmögliche Wiedererlangungstermin aufgrund der 35-tägigen weltweiten Abdeckung von Envisat? InSAR durchführen.
"Dies ist das erste Mal, dass Envisat-Daten zur Erstellung eines Interferogramms nach einem schweren Erdbeben verwendet wurden", sagte Parsons, Teil eines internationalen Teams, das das Bam-Beben untersuchte, darunter Teilnehmer des Geological Survey of Iran und des US Jet Propulsion Laboratory.
Die Ergebnisse waren überraschend und zeigten, dass Bam zwar in einem seismischen Gürtel liegt, dieses besondere Beben jedoch von einem Punkt kam, den niemand erwartet hatte. Der Iran ist wie das Ausfüllen eines geologischen Sandwichs, wenn die arabische Platte nach Eurasien vordringt und so viele seismische Fehler in seinem Hoheitsgebiet auftreten. Vor allem in der Gowk-Verwerfung westlich von Bam kam es in den letzten zwei Jahrzehnten zu mehreren großen Beben.
Das Envisat-Interferogramm zeigte jedoch, dass das Bam-Beben auf den Bruch eines zuvor unentdeckten Fehlers zurückzuführen war, der sich unter dem südlichen Teil der Stadt erstreckt und dessen Existenz durch Bodenuntersuchungen übersehen wurde. Der Fehler zeigte sich als deutliches Diskontinuitätsband im Interferogramm mit einer Bewegung auf beiden Seiten von etwa fünf bis zu 30 Zentimetern.
InSAR-Ergebnisse können nicht nur solche Oberflächenveränderungen hervorheben, sondern auch indirekt unter die Erde blicken. Softwaremodelle berechnen, welche geologischen Vorkommen zu den Oberflächenereignissen passen. Bei Bam stellten sie fest, dass ein Ausrutscher von mehr als zwei Metern in einer mittleren Tiefe von 5,5 Kilometern entlang einer bestimmten Art von Verwerfung stattgefunden hatte.
Nochmal vorbei kommen
Je genauer die Position eines Raumfahrzeugs gesteuert werden kann, desto kleiner ist die InSAR-Bildbasislinie - der räumliche Abstand zwischen der ersten und der nachfolgenden Bildaufnahme - und desto besser ist die Qualität des endgültigen Interferogramms. Bei der ersten Bam-Überprüfung von Envisat war die Basislinie groß genug, dass digitale ERS-Höhendaten benötigt wurden, um topografische Effekte zu subtrahieren, die durch einen verschobenen Blickwinkel verursacht wurden.
Bei der anschließenden Überprüfung 35 Tage später war die Steuerung des Raumfahrzeugs jedoch so präzise, dass keine topografische Kompensation erforderlich war, was für Envisat eine beachtliche operative Leistung darstellt.
"Unser Flight Dynamics-Team hat eine Genauigkeit von 93 cm unter Verwendung präziser Umlaufbahnbestimmungsergebnisse aus DORIS (Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite) und Beobachtungen zur Laserentfernung berechnet", erklärte Andreas Rudolph, Manager von Envisat Spacecraft.
„Um diese Genauigkeit zu erreichen, waren spezielle Umlaufmanöver erforderlich, zusammen mit harter Arbeit von Teams des Europäischen Zentrums für Weltraumoperationen (ESOC) hier in Deutschland und des Europäischen Weltraumforschungsinstituts (ESRIN) in Italien. ganz zu schweigen von ein bisschen Glück! “
Vermessung eines aktiven Vulkans
Radarinterferometrie wird verwendet, um Erdbeben und Vulkane zu untersuchen. Envisat hat Daten zu einem äußerst lebhaften Beispiel für Letzteres gesammelt.
Der Vulkan Piton de la Fournaise liegt 2631 Meter über dem Indischen Ozean und befindet sich nicht entlang seismischer Gürtel oder des dazugehörigen „Ring of Fire“. wie Hawaii auf der anderen Seite des Planeten? Es befindet sich über einem Magma-Hotspot im Erdmantel.
Das Institut für Physik des Globus von Paris (IPGP) betreibt ein In-situ-Vulkanobservatorium zur Überwachung von Eruptionen und damit verbundenen Aktivitäten.
„Wir beobachten diesen Basaltvulkan seit 25 Jahren? Es ist einer der aktivsten Vulkane der Welt “, kommentierte Pierre Briole von IPGP. „In den letzten sechs Jahren gab es 13 Ausbrüche mit einer durchschnittlichen Dauer von einem Monat. Zwischen 1992 und 1998 war eine ruhige Zeit, während zwischen 1984 und 1992 acht Eruptionen auftraten. “
Tiefe unterirdische Prozesse treiben die vulkanische Aktivität an der Oberfläche voran? Lavarisse und -ausbrüche treten aufgrund von Lavakanälen oder Deichen auf, die sich aus Hochdruck-Magmakammern erstrecken. Die Bodenverformung in der Nähe eines Vulkans nach oben oder unten liefert Einblicke in das Geschehen im Untergrund, aber bis vor kurzem war die Anzahl der messbaren Bodenpunkte sehr begrenzt.
„In der Zeit bodengestützter geodätischer Instrumente dauerte es mehrere Wochen, um die Koordinaten von vielleicht 20 Punkten mit einer Genauigkeit von etwa einem Zentimeter zu messen“, erinnerte sich Briole. „Anfang der neunziger Jahre kam dann das Global Positioning System (GPS). Mit GPS konnten wir die Anzahl der während einer einwöchigen Kampagne gemessenen Punkte auf die Genauigkeit von einem halben Zentimeter verzehnfachen. Die durch einen Ausbruch verursachte Bodenverformung ist jedoch im Weltraum normalerweise extrem lokalisiert, und diese 200 Punkte sind über das gesamte Gebiet des Vulkans verteilt. “
Zur Verbesserung des GPS war eine weitere weltraumgestützte Technologie erforderlich: Interferogramme von Piton de la Fournaise, die auf mehr als 60 im letzten Jahr aufgenommenen Envisat-Bildern basieren. IPGP ist Teil eines Teams, das die Daten nutzt, zu denen auch Teilnehmer der Universitäten Blaise Pascal (Clermont-Ferrand II) und R? Union gehören.
"Wir haben Glück mit Piton de la Fournaise, da aufgrund seiner abgelegenen Lage mitten im Meer keine Konflikte mit anderen potenziellen Envisat-Zielen auftreten und wir mehr Akquisitionen erhalten als die meisten anderen Benutzer von ASAR-Bildern", fügte Briole hinzu . „InSAR von Envisat hat sich für uns als äußerst leistungsfähiges Tool erwiesen, da es eine sehr hohe Informationsdichte über den gesamten Vulkan hinweg bietet.
„Da so oft neue Ausbrüche stattfinden, konnten unsere Bodenkampagnen nicht mithalten, aber die Interferometrie liefert uns Daten zu jedem Ausbruch. Und während der Vulkan sehr schwer zu operieren ist? oft mit schlechter Sicht vom Wetter und einer sehr steilen Ostflanke? Alle Teile des Vulkans bis zur Vegetationslinie sind mit InSAR zugänglich. “
InSAR zeigt ein Muster der Bodeninflation in den Monaten vor einem neuen Ausbruch, da der Druck in der Magmakammer zunimmt. Nach einem Ausbruch lässt der Druck nach und es kommt zu einer Deflation.
Es werden auch lokalisierte Verformungen festgestellt, die auftreten, wenn sich Magma-Deiche ausbreiten und die Oberfläche erreichen. Das Ausmaß der Verformung, die mit einem neuen Spalt verbunden ist, gibt die Tiefe an, in der er entsteht. Je breiter die Inflation, desto tiefer ist der Deich gekommen.
Die InSAR-Vulkanüberwachung wurde zuerst anhand von ERS-Daten erstellt. Dabei wurden Interferogramme erstellt, die zeigen, dass Italiens hochaktiver Ätna zwischen den Eruptionen zu „atmen“ scheint. Und Interferogrammuntersuchungen von scheinbar erloschenen Vulkanen entlang abgelegener Teile der Anden haben Bodenbewegungen gezeigt, die darauf hinweisen, dass einige tatsächlich noch aktiv sind.
„Mit dieser Technik gibt es viele interessante Fragestellungen, darunter die Frage, ob es möglich ist, vorherzusagen, wann ein Vulkan ausbrechen wird, und - bei seismischen Störungen, die häufig in der Nähe von Vulkanen auftreten - die Frage, ob seismische Aktivität und Vulkanausbrüche auftreten sind verbunden “, fügte Briole hinzu.
„Derzeit ist unser Team daran interessiert, Piton de la Fournaise so genau wie möglich zu charakterisieren, Techniken zu perfektionieren, die wir später an anderer Stelle auf Vulkane anwenden können, und wenn möglich die Anzahl der Akquisitionen zu erhöhen, um zu demonstrieren, dass die InSAR-Überwachung von Vulkanen operatives Potenzial hat Frühwarnung für Katastrophenschutzbehörden. “
Originalquelle: ESA-Pressemitteilung
