Первоначально разработанная для точного определения атакующего самолета во время Второй мировой войны, современная усовершенствованная радиолокационная технология может обнаруживать совершенно другую движущуюся цель: сдвиги земной коры, которые происходят так же медленно, как и рост ваших ногтей.
Радарные данные со спутников, таких как Envisat ЕКА, используются для построения «интерферограмм», которые показывают движение земли в миллиметровом масштабе. Эти радужные изображения дают ученым новое понимание тектонического движения и улучшенную способность вычислять опасности, возникающие при ускорении этого медленного движения в виде землетрясений или вулканической активности.
Полезная нагрузка из десяти приборов на Envisat включает в себя усовершенствованный радар с синтезированной апертурой (ASAR), предназначенный для получения радиолокационных изображений земной поверхности. Частью назначенной «фоновой миссии» Envisat, поскольку она вращается вокруг мира каждые 100 минут, является определение приоритетов приобретений ASAR над сейсмическими поясами, которые покрывают 15% поверхности суши.
«К тому времени, когда Envisat завершит свою номинальную пятилетнюю миссию, у нас должно быть достаточное количество изображений по всем сейсмическим поясам», - сказал профессор Барри Парсонс из Центра наблюдения и моделирования землетрясений и тектоники в Оксфордском университете.
«Чтобы обнаружить интересующую нас мелкую деформацию грунта, нам нужны повторные радиолокационные изображения каждого участка. Затем мы объединяем пары изображений, используя технику, называемую интерферометрией SAR, или, если коротко, InSAR, чтобы показать любые изменения между приобретениями ». (Для получения дополнительной информации см. Ссылку: Как работает интерферометрия?)
Чтобы точно измерить медленное нарастание напряжения, когда тектонические плиты движутся друг против друга вдоль сейсмических поясов Земли, объединяют несколько интерферограмм, что требует множества отдельных изображений SAR.
«Причина этого заключается в том, чтобы минимизировать любые атмосферные помехи относительно сигнала малой деформации земной коры, который нас интересует», - добавил Парсонс. «Используя данные предшествующей компании Envisat ERS, наша группа недавно измерила тектоническое движение по западному Тибету с точностью до нескольких миллиметров в год. Результаты показывают, что скорости скольжения по основным разломам в регионе намного меньше, чем предполагалось ранее, и что Тибетское плато деформируется как жидкость ».
InSAR также можно использовать для анализа гораздо более резких движений грунта: недавно исследователи использовали данные Envisat для картирования деформации грунта, связанной с чрезвычайно активным вулканом Питон-де-ла-Фурнез на Острове Юнион в Индийском океане, и для выявления ошибки, которая вызвало землетрясение в Баме в декабре 2003 года.
Обнаружение ошибки после катастрофы в Баме
Более 26000 человек были убиты 26 декабря 2003 года, когда землетрясение силой 6,3 балла по шкале Рихтера разрушило иранский оазис Бам. Это древняя цитадель? обозначен как объект всемирного наследия? рухнул в обломки. Хартия по космосу и крупным катастрофам была активирована, так что космические корабли, включая Envisat, получили изображения для поддержки международных усилий по оказанию помощи.
После фоновой миссии Envisat 3 декабря 2003 года в окрестностях Бама было получено изображение до землетрясения, которое было объединено с изображением после землетрясения, полученным 7 января 2004 года? самая ранняя возможная дата повторного приобретения из-за 35-дневного глобального охвата Envisat? выполнить InSAR.
«Это первый случай, когда данные Envisat используются для создания интерферограммы после сильного землетрясения», - сказал Парсонс, член международной группы, изучающей землетрясение в Баме, включая участников из Геологической службы Ирана и Лаборатории реактивного движения США.
Результаты оказались удивительными, установив, что, хотя Бэм лежит в сейсмическом поясе, это конкретное землетрясение произошло с момента, которого никто не ожидал. Иран подобен заполнению геологического сэндвича, когда Аравийская плита продвигается в Евразию, и на его территории происходит так много сейсмических разломов. В частности, на разломе Гаука, расположенном к западу от Бама, произошло несколько крупных землетрясений в течение последних двух десятилетий.
Однако интерферограмма Envisat показала, что землетрясение в Баме произошло в результате разрыва ранее не обнаруженного разлома, простирающегося под южной частью города, его существование было пропущено при наземных исследованиях. Разлом проявлялся как отчетливая полоса разрыва на интерферограмме, движение по обе стороны от 5 до 30 сантиметров.
Помимо выделения таких изменений поверхности, результаты InSAR могут использоваться для косвенного просмотра под землей, при этом программные модели рассчитывают, какие геологические явления соответствуют поверхностным событиям. С Бэмом они обнаружили скольжение, превышающее два метра, имело место на средней глубине 5,5 километров, вдоль определенного типа разлома.
Приходить снова
Чем точнее можно управлять положением космического корабля, тем меньше базовая линия изображения InSAR - пространственное расстояние между получением исходного и последующего изображений - и тем выше качество конечной интерферограммы. Во время первоначального повторного посещения Envisat Bam базовая линия была достаточно большой, чтобы цифровые данные высот ERS были необходимы для вычитания топографических эффектов, вызванных смещенным углом обзора.
Однако для его последующего пересмотра, 35 дней спустя, управление космическим кораблем было настолько точным, что не требовалось никакой топографической компенсации, что представляло собой серьезное операционное достижение для Envisat.
«Наша команда Flight Dynamics вычислила точность 93 см, используя точные результаты определения орбиты из DORIS (доплеровская орбитография и радиопозиционирование, интегрированное с помощью спутника) и лазерных наблюдений, - заявил менеджер космического корабля Envisat Андреас Рудольф.
«Для достижения этой точности потребовались специальные маневры на орбите, а также тяжелая работа команд из Европейского центра космических операций (ESOC) здесь, в Германии, и Европейского института космических исследований (ESRIN) в Италии? не говоря уже о удаче!
Съемка действующего вулкана
Радарная интерферометрия используется для изучения землетрясений, а также вулканов - Envisat собирает данные об одном чрезвычайно живом примере последнего.
Стоя на 2631 м над Индийским океаном, вулкан Piton de la Fournaise расположен не вдоль сейсмических поясов или связанного с ним «Огненного кольца», а? как Гавайи на другой стороне планеты? он расположен над магматической «горячей точкой» в мантии Земли.
В Институте физики мира в Париже (IPGP) работает Обсерватория вулканов на месте для наблюдения за извержениями и связанной с ними деятельностью.
«Мы наблюдали этот базальтовый вулкан в течение последних 25 лет? это один из самых активных вулканов в мире », - прокомментировал Пьер Бриоль из IPGP. «За последние шесть лет произошло 13 извержений со средней продолжительностью один месяц. Между 1992 и 1998 годами было тихое время, а в период с 1984 по 1992 год произошло восемь извержений ».
Глубокие подземные процессы стимулируют поверхностную вулканическую активность? трещины и извержения лавы происходят из-за лавовых каналов или «дамб», которые простираются от магматических камер высокого давления. Деформация грунта вверх или вниз вблизи вулкана дает представление о том, что происходит под землей, но до недавнего времени количество точек заземления, которые можно было измерить, было очень ограниченным.
«Еще во времена наземных геодезических приборов потребовалось несколько недель, чтобы измерить координаты, возможно, 20 точек с точностью около одного сантиметра», - вспоминает Бриоль. «Затем в начале 1990-х годов появилась Глобальная система позиционирования (GPS). Используя GPS, мы могли бы увеличить количество точек, измеренных в десять раз в течение недельной кампании, до точности до полсантиметра. Но деформация грунта, вызванная извержением, обычно чрезвычайно локализована в космосе, и эти 200 точек разбросаны по всей территории вулкана ».
Для улучшения GPS потребовалась еще одна космическая технология: интерферограммы Piton de la Fournaise, основанные на более чем 60 изображениях Envisat, полученных в течение прошлого года. IPGP является частью команды, использующей данные, в которую также входят участники из университетов Блеза Паскаля (Клермон-Ферран II) и R? Union.
«Нам повезло с Piton de la Fournaise, потому что его удаленное расположение в середине океана означает, что нет столкновений с другими потенциальными целями Envisat, и поэтому мы получаем больше приобретений, чем большинство других пользователей изображений ASAR», - добавил Бриоль. , «InSAR от Envisat оказался чрезвычайно мощным инструментом для нас, потому что он обеспечивает очень высокую плотность информации по всему вулкану.
«Поскольку новые извержения происходят так часто, наши наземные кампании не могут идти в ногу, но интерферометрия дает нам данные о каждом извержении. И в то время как вулкан является очень трудным местом для работы? часто с плохой видимостью от погоды и очень крутым восточным флангом? все части вулкана вплоть до линии растительности доступны с помощью InSAR ».
InSAR выявляет закономерности инфляции на почве в месяцы, предшествующие новому извержению, поскольку давление в магматической камере увеличивается. После извержения давление снижается и происходит дефляция.
Также выявлены локализованные деформации, возникающие при распространении и выходе на поверхность магматических дамб. Степень деформации, связанной с новой трещиной, указывает глубину, на которой она возникает? чем шире инфляция, тем глубже дамба.
Вулканический мониторинг InSAR был впервые установлен с использованием данных ERS, в результате чего были получены интерферограммы, показывающие, что высокоактивная гора Этна в Италии, кажется, «дышит» между извержениями. А исследования интерферограмм явно потухших вулканов вдоль отдаленных частей Анд показали движение грунта, свидетельствующее о том, что некоторые из них фактически все еще активны.
«Существует множество интересных направлений исследований, использующих эту технику, включая вопрос о том, можно ли предсказать, когда извержение вулкана, и - при сейсмических разломах, часто возникающих вблизи вулканов, - вопрос о том, имеет ли место сейсмическая активность и извержения вулканов. связаны », добавил Бриоль.
«На данный момент наша команда заинтересована в том, чтобы как можно точнее охарактеризовать Piton de la Fournaise, совершенствовать методы, которые впоследствии мы сможем применить к вулканам в других местах, и, если это возможно, увеличить число приобретений, чтобы продемонстрировать, что мониторинг вулканов в InSAR имеет операционный потенциал. обеспечение раннего предупреждения для органов гражданской защиты ».
Источник: ESA News Release
