Наблюдение за нашей изменчивой планетой с помощью спутникового радара

Технический перевод статьи журнала ROOM, № 2 декабрь 2014

Профессор Тим Райт (Tim Wright), Лидский университет, Великобритания

Спутниковые радары изменили методику наблюдения за тектонической динамикой нашей планеты, они помогают нам прогнозировать будущие извержения вулканов и отслеживать угрозу землетрясений.

Я возглавляю исследовательский центр по изучению и моделированию землетрясений, вулканов и тектонических явлений (Natural Environment Research Council’s Centre for the Observation and Modelling of Earthquakes, Volcanoes and Tectonics, COMET). Цель наших исследований – улучшить понимание таких явлений, как извержения вулканов и землетрясения. Мы хотим знать, каковы их причины, а также более точно определять вероятность этих стихийных бедствий.

Наблюдения со спутников в корне изменили методику нашей работы. Мы используем их, чтобы определить, как земля деформируется вокруг разломов и вулканов, где происходят землетрясения.

Но как же спутники, находящиеся на высоте 800 километров, могут определить колебания земли около 1 миллиметра? Метод, который мы используем, Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR), применяется на радиолокационных спутниках, находящихся на чётко контролируемых и хорошо известных орбитах. Эти спутники могут возвращаться в одно и то же место каждые несколько дней, каждый раз отправляя радиоволны к поверхности земли и измеряя энергию, которая от неё отражается.

Анализируя показания с разных пролётов спутника, мы можем точно определить различия во времени, которое требуется радарному импульсу, чтобы достигнуть земли и вернуться к спутнику. Если пласт земли в зоне действия радара переместился по отношению к спутнику, возможно, из-за землетрясения или извержения вулкана, радиоволна будет возвращаться немного дольше. Мы может измерить эти изменения или «задержки в пути» на каждом пикселе радарного изображения и получить схему перемещения пластов земли с точностью до нескольких миллиметров.

InSAR особенно важен в отдалённых районах и в развивающихся странах, поскольку там нет возможности использовать дорогостоящее наземное оборудование. И даже в таких местах, как Калифорния или Япония, где обширно используются наземные приборы, никакая техника не может дать нам такого пространственного разрешения (десятки метров), при этом покрывая такие большие зоны (тысячи километров), как InSAR.

К примеру, после землетрясения изображение на радаре часто может указать геологам, находящимся на земле, непосредственно на причину катастрофы. В некоторых частях мира это может быть в десятках километров от той зоны, которую сейсмологи считали эпицентром. Также мы может использовать радар, чтобы определить те области, которые подверглись разрушениям, чтобы дать спасательным командам жизненно важную информацию.

Помимо измерения деформации после стихийного бедствия, InSAR может помочь нам понять, где могут произойти новые катастрофы. К примеру, перед многими вулканическими извержениями магма поднимается и заполняет пустое пространство под вулканом, это заставляет поверхность вокруг вулкана приподняться, будто матрас, под которым накачивают воздушный шар.

Сейчас мы начинаем вести систематическое наблюдение за всеми активными вулканами на предмет признаков перемещения магмы; эта информация позволит предупредить местных руководителей и учёных о том, что вулкан проявляет признаки активности. Может быть принято решение, к примеру, о размещении большего количества наземных приборов для наблюдения за вулканом, или в крайнем случае об эвакуации.

Между тем, несмотря на то, что дать краткосрочный прогноз землетрясения практически невозможно, поверхность земли вокруг разломов тоже неуклонно деформируется благодаря тектоническим силам задолго до землетрясения.

Мы используем InSAR, чтобы измерить эту деформацию, а также оценить и предугадать риск землетрясения в определённых местах. Обычно оценки опасности основаны на изучении землетрясений, произошедших в течение последних 100 лет, о которых у нас есть хорошие сейсмические записи. 

В некоторых местах исторические записи о землетрясениях используются также, чтобы заглядывать дальше в прошлое. Однако многие разломы, приводящие к землетрясениям, появляются только раз в 10 000 лет, так что оценки сейсмической опасности, основанные на событиях последней тысячи лет, ненадёжны. Измеряя деформацию вокруг разломов при помощи InSAR, мы можем определить, где именно высок риск землетрясения, даже если раньше они там не происходили.

Запуск Sentinel-1A в апреле 2014 года был поворотным моментом в истории InSAR. Предыдущие миссии, связанные с радиолокационными спутниками, не были предназначены или оптимизированы под InSAR: отличались длительным периодом задержки радиосигналов, слабым орбитальным контролем; у них не было чёткой стратегии сбора данных; и затраты подчас были слишком велики – всё это препятствовало широкому внедрению технологии.

Для сравнения, Sentinel-1A – первый из двух спутников, наряду с 1B, который выйдет на орбиту в 2016 году. Вместе эти спутники будут часто и систематически получать данные со всех тектонически и вулканически активных районов планеты. Эти данные будут в свободном доступе для всех, кто занимается наблюдением за поверхностью Земли, и это будет длительная по времени программа, планируются запуски спутников с целью расширения сбора данных как минимум в течение 20 лет. Это действительно самый первый действующий спутник InSAR.

В COMET мы создаём автоматическую систему обработки информации, которая в огромном количестве поступает с радаров Sentinel-1.

Наша цель – использовать много тысяч изображений, получаемых каждый год со всех тектонических зон Земли, чтобы создать максимально точную схему деформаций земной поверхности, где все видимые изменения давали бы возможность оценки сейсмической опасности. Для этого нам необходимо выявить малейшие тектонические колебания, вызванные перемещением пластов не более чем на 1 миллиметр в год между двумя точками, расстояние между которыми составляет порядка 100 километров. Эту информацию мы будем использовать для того, чтобы создать новую схему сейсмической опасности, основанную на наблюдениях за деформациями земной поверхности, а не на исторических записях о землетрясениях прошлого.

Наблюдая за темпами движения, мы сможем фиксировать все изменения в этих темпах, что вблизи вулканов, к примеру, может свидетельствовать об активности. Эти данные также помогут нам лучше понять свойства наружного слоя поверхности Земли, что даст нам возможность лучше понять, по какому принципу изменяются континенты.

Создать систему для обработки большого объёма информации, приходящей с Sentinel-1, непросто: в «сыром» виде эти данные могли бы полностью заполнять жёсткий диск стандартного компьютера по четыре раза в день.

Мы используем обширные «облачные» вычислительные ресурсы в помещении Центра климатического и экологического мониторинга из космоса (Climateand Environmental Monitoringfrom Space , CEMS), которые будут постоянно работать, чтобы не «отставать» от получаемых данных. Гарантированная доступность таких данных будет означать, что мы можем практически в реальном времени реагировать на возможность любого извержения или землетрясения. Наша цель – передавать такого рода информацию по сети в максимально сжатые сроки, чтобы она была полезна как для учёных, так и для спасательных служб.

У этих технологических разработок есть и ряд дополнительных эффектов. Основной источник ошибок InSAR при измерении поверхностных деформаций – это погода: водяной пар в атмосфере замедляет радиоволны от радара. Разработчики моделей погоды достаточно слабо определяют распределение в атмосфере водных масс, так что мы можем использовать помехи в наших данных, чтобы создавать схемы перемещения в атмосфере пара с большим пространственным разрешением. Мы планируем работать с UKMetOffice, чтобы они могли использовать эту информацию в своих технологиях прогнозирования погоды.

Поверхность земли изменяется и по причинам, не связанным с перемещением пластов и активностью вулканов. К примеру, результаты нашей работы с Sentinel-1 можно использовать, чтобы наблюдать, насколько земля проседает в местах добычи полезных ископаемых, постройки туннелей, а также добычи воды и газа. Это особенно актуально для Великобритании, где добыча угля в прошлом очень повлияла на деформацию поверхности земли, продолжающуюся до сих пор.

В будущем многие правительства планируют хранить под землёй уловленный углерод. InSAR можно использовать для наблюдения за тем, остаётся ли уловленный CO2 там, куда он был помещён. Также мы можем использовать InSAR для мониторинга устойчивости отдельных зданий или других важных инфраструктурных сооружений, таких как мосты или железнодорожные пути.

Sentinel-1A уже принёс ценные научные результаты – помог нам создать схему разлома, который принёс убыток в миллиард долларов винной промышленности в долине Напа в Калифорнии в августе 2014 года. И это только единичный пример того, что может дать нам эта экстраординарная миссия. И хотя землетрясения нельзя прогнозировать, я могу с уверенностью сказать, что для нас InSAR в перспективе – большое будущее, технология, способная изменить представление о нашей изменчивой планете в течение следующего десятилетия.

Об авторе:

Тим Райт, профессор спутниковой геодезии в Лидском университете и директор Исследовательского центра по изучению и моделированию землетрясений, вулканов и тектонических явлений (COMET). Он передовой специалист в области использования спутниковой радиолокации для изучения тектонической и вулканической активности. Он был первым, кто показал, что медленное накопление тектонических деформаций вокруг активных разломов можно измерять при помощи спутниковых радаров. Также он руководит крупным проектом по использованию новейших спутников для создания схем деформации континентов. В 2006 был награждён фондом Геологического Общества Уильяма Смита и наградой Филипа Леверхалма, в 2014 получил награду Американского геофизического союза в области геодезии, а в 2015 – Bullerwell Lecture Британской геофизической ассоциации.

Технический перевод статьи журнала ROOM

Оригинал статьи можно прочитать по этой ссылке
Motion capture
 журнал ROOM №2 декабрь 2014