Envisat – należący do ESA satelita obserwujący Ziemię – jest tak czułym instrumentem, że może praktycznie na żywo śledzić zmiany na powierzchni naszej planety zachodzące z niewielką prędkością.

Jednym z zadań satelity jest dokonanie obiegu Ziemi w ciągu każdych 100 minut, co umożliwia wykonanie precyzyjnej mapy obszarów sejsmicznych, które pokrywają 15% powierzchni planety. Pod koniec pięcioletniej misji dostarczy wystarczającą ilość danych, byśmy mogli poznać zmiany w czasie w tych rejonach. Przez porównanie zmian z lokalizacją trzęsień Ziemi naukwocy będą mogli wskazać fragmenty odpowiedzialne za wstrząsy.

Radary pierwotnie miały swym działaniem umożliwić zlokalizowanie atakujących samolotów podczas II Wojny Światowej, rozwój technologii pozwala dziś obecnie na bardziej efektywne wykorzystanie tego samego pomysłu – do śledzenia zmian na skorupie ziemskiej, których prędkość często jest porównywalna z tempem wzrostu paznokci.

Radarowe danie z satelitów takich jak Envisat wykorzystuje się do konstruowania interferogramów, które pokazują ruchy lądu w skali milimetrowej. Tęczowe fotografie zapewniają naukowcom nowe spojrzenie na ruchy tektoniczne oraz rozszerzoną możliwość obliczenia wzrostu ryzyka, kiedy wolny ruch zaczyna nabierać prędkości i przechodzić w trzęsienie Ziemi lub aktywność wulkaniczną.

Zespół 10 instrumentów na pokładzie Envisat zawiera między innymi zaawansowaną syntetyczną aparaturę radarową (ASAR) której zadaniem jest wykonywanie zdjęć powierzchni Ziemi. Częścią dodatkowego zadania satelity Envisat jest nadanie priorytetu fotografowaniu pasów sejsmicznych przy pomocy ASAR podczas każdego obiegu naszej planety, czyli co 100 minut.

„Do czasu zakończenia pięcioletniej misji powinniśmy mieć satysfakcjonującą ilość zdjęć pokrywających wszystkie pasy sejsmiczne.” – powiedział profesor Barry Parsons z Centre for the Observation and Modelling of Earthquakes and Tectonics na Oxford University.

„Aby wykryć te deformacje powierzchni Ziemi, które nas szczególnie interesują, potrzebujemy powtarzających się w pewnych odstępach czasu zdjęć tego miejsca. Wówczas możemy połączyć kilka zdjęć w jedno przy wykorzystaniu tak zwanej techniki SAR interferometrii (InSAR), która pomoże ujawnić zmiany, które nastąpiły pomiędzy wykonaniem poszczególnych fotografii.„

Aby dokładnie zmierzyć powolne narastanie napięcia, podczas stykania się płyt tektonicznych wzdłuż pasów sejsmicznych rozważa się wielokrotne interferogramy wymagające licznych pojedynczych zdjęć.

„Powodem tego jest wszelkich zakłóceń atmosferycznych, aby wyizolować dokładnie ten sygnał, który nas interesuje” – dodał Parsons. – „Przy pomocy danych uzyskanych przez poprzednika Envisata – satelitę ERS – zmierzył ostatnio tektoniczny ruch wzdłuż zachodniego Tybetu z dokładnością do kilku milimetrów w skali roku. Rezultaty badań wskazują, że prędkość poślizgu wzdłuż głównych uskoków w rejonie jest znacznie mniejsza, niż dotychczas sądzono oraz że płyta Tybetańska deformuje się jakby była płynem.„

InSAR może być również wykorzystywany do analizowania znacznie szybszych ruchów naziemnych – ostatnio wykorzystano satelitę do śledzenia procesu deformacji powierzchni Ziemi będącej wynikiem działalności niezwykle aktywnego wulkanu Piton de la Fournaise na Reunion Island położonej na Oceanie Indyjskim oraz do ocenienia szkód spowodowanych przez trzęsienie ziemi w Iranie w grudniu ubiegłego roku.

W dniu 26 grudnia zginęło wskutek tego kataklizmu ponad 26000 ludzi. Trzęsienie miało siłę 6,3 stopnia w skali Richtera, co wystarczyło do zniszczenia irańskiego miasta Bam. Jego starożytna cytadela – element Światowego Dziedzictwa Kulturalnego – legła w gruzach. W tym czasie Envisat oraz inne satelity wykonywały zdjęcia nawiedzonego klęską obszaru, by wspomóc między innymi naziemną akcję ratunkową.

Zgodnie z dodatkowym celem misji Envisata – wykonywane zdjęcia okolic Bam w dniu 3 grudnia 2003 roku, porównano z potrzęsieniową fotografią z 7 stycznia 2004 roku – w pierwszym ponownym przelocie nad tym fragmentem Ziemi w 35-dniowym cyklu pokrycia całego globu.

Było to jednocześnie pierwsze wykorzystanie zgromadzonych przez Envisat danych do wykonania interferogramu większego trzęsienia” – powiedział Parsons.

Efekty były dość zaskakujące, pokazując, że chociaż Bam leży w pasie sejsmicznym, to trzęsienie nadeszło z punktu, który okazał się być zaskakujący dla wszystkich. Iran można określić mianem geologicznej kanapki, jako że płyta arabska przemieszcza się w kierunku Eurazji. Na tym obszarze występuje niezwykle duża ilość uskoków sejsmicznych. Najbardziej warty odnotowania, uskok Gowk, znajdujący się na zachód od Bam był miejscem kilku dużych trzęsień w przeciągu ostatnich dwudziestu lat.

Jednakże tym razem przyczyną trzęsienia było pęknięcie poprzednio nie znanego uskoku, który rozciąga się pod południową częścią miasta. Uskok uwidocznił się na interferogramie jako pasmo różnych nieciągłości, z ruchem po obu stronach wahającym się pomiędzy pięcioma a trzydziestoma centymetrami.

Oprócz zarejestrowania takich zmian powierzchni, dane uzyskane dzięki InSARowi mogą zostać wykorzystane do pośredniego wnikliwego przyjrzenia się uskokowi poprzez warstwę Ziemi, z wykorzystaniem modelowania komputerowego geologicznych zjawisk odpowiadających za spowodowanie takiego właśnie efektu. W przypadku Bam znaleziono przemieszczenia o ponad 2 metry na głębokości 5,5 kilometra wzdłuż różnych typów uskoków.

Im bardziej precyzyjnie można sprawdzić pozycje satelity, tym mniejsze jest ograniczenie zdjęciowe InSARa oraz lepsza jakość interferogramu. Podczas początku powrotu Envisata nad Bam granica podstawowa była na tyle duża, że konieczne było skorzystanie z danych z ERS by określić topograficzny efekt spowodowany przez zmieniający się kąt widzenia.

Jednakże podczas kolejnej wizyty sterowanie satelitą było tak precyzyjne, że takie operacje nie były konieczne.

„Zespół zajmujący się dynamiką lotu uzyskał dokładność 93 centymetrów wykorzystując do tego szczegółowo wyznaczoną orbitę przez DORIS (Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite) oraz obserwacje przy pomocy lasera.” – oświadczył zarządzający sprawami Envisata Andreas Rudolph. – „Dodatkowe manewry na orbicie były potrzebne w celu uzyskania takiej dokładności, niezbędna była także ciężka praca zespołów z European Space Operations Centre (ESOC) w Niemczech oraz z European Space Research Institute (ESRIN) we Włoszech, a także odrobina szczęścia.„

Interferometria radarowa jest używana w takim samym stopniu przy badaniu trzęsień Ziemi, jak i aktywności wulkanicznej. Envisat gromadzi dane na temat niezwykle żywotnego przypadku. Wznoszący się na wysokość 2631 metrów nad Oceanem Indyjskim wulkan Piton de la Fournaise nie jest położony wzdłuż pasów sejsmicznych czy tak zwanego pierścienia ognia, ale podobnie jak Hawaje znajduje się nad gorącą plamą lawy.

Institut de Physique du Globe de Paris (IPGP) utrzymuje wewnątrzwulkanowe obserwatorium w celu monitorowania erupcji oraz towarzyszących im procesów.

„Obserwowaliśmy ten bazaltowy wulkan przez ostatnich 25 lat – to jeden z najaktywniejszych wulkanów na świecie” – powiedział Pierre Briole z IPGP. – „W minionych sześciu latach miało tam miejsce 13 erupcji, trwających średnio około miesiąca każda. Lata 1992-1998 to raczej spokojny okres, podczas gdy pomiędzy rokiem 1984 a 1992 było osiem erupcji.„

Głębokie, podziemne procesy owocują aktywnością wulkaniczną – lawa przemieszcza się i następują erupcje wskutek poszerzania się kanałów lawowych pod wpływem wysokiego ciśnienia panującego w komnatach magmowych. Naziemne deformacje zapewniają wgląd w procesy podziemne, jednakże dotychczas liczba naziemnych punktów pomiarowych, z których możliwe było zbieranie pomiarów, była bardzo ograniczona.

„Wracając do czasów naziemnych instrumentów geodezyjnych musielibyśmy poświęcić kilka tygodni na dokonanie pomiarów w około 20 punktach z dokładnością około 1 centymetra” – przypomina Briole. – „Jednakże w latach 90. pojawił się GPS. Wykorzystując możliwości tego urządzenia możemy skrócić czas trwania całej kampanii do tygodnia uzyskując dokładność pół centymetra. Jednakże naziemne deformacje będące rezultatem erupcji są trudne do zlokalizowania w przestrzeni, a tych 200 punktów jest rozsianych po całym wulkanie.„

Kolejną technologią konieczną do wykonania następnego kroku w modernizacji sposobu prowadzenia badań są interferogramy wulkanu Piton de la Fournaise, wykonane z wykorzystaniem blisko 60 fotografii zrobionych w ciągu ostatniego roku. IPGP stanowi część zespołu wykorzystującego powyższe dane. Pozostałe grupy pochodzą z Blaise Pascal University (Clermont-Ferrand II) i Reunion University.

„Piton de la Fournaise jest dla nas doskonałym obiektem, ponieważ jego położenie pośrodku oceanu zapewnia brak kolizji z innymi celami Envisata, możemy więc uzyskać znacznie więcej fotografii niż inni użytkownicy instrumentu ASAR” – dodał Briole. – „InSAR okazał się dla nas potężnym narzędziem, ponieważ zapewnia wysokie zagęszczenie informacji pochodzących z okolic całego wulkanu.

„Z tak częstymi nowymi erupcjami nasze naziemne wyprawy nie nadążałyby ze wszystkimi pracami, natomiast interferometria dostarcza nam danych na temat każdej erupcji. Podczas gdy wulkan jest niezwykle trudnym miejscem do prowadzenia działań naziemnych – czy to z powodu braku widoczności, czy też niezwykle stromego wschodniego zbocza, wszystkie części wulkanu mogą być sfotografowane przez InSAR.„

InSAR odsłania wzory naziemnych inflacji w miesiącach poprzedzających kolejne erupcje, wraz ze wzrostem ciśnienia w komorach magmowych. Po erupcji ciśnienie spada i następuje deflacja.

Odsłonięte zostały także lokalne deformacje powstające, kiedy magma przemieszcza się kanałami i osiąga powierzchnię. Powiększenie deformacji w połączeniu z analizą nowego materiału pozwala na ustalenie głębokości, na której on powstał – im większa inflacja, tym głębsze jest pochodzenie materiału.

Monitoring wulkaniczny InSARa ustalono po raz pierwszy przy pomocy danych z ERS, przygotowując interferogramy pokazujące, że pomiędzy erupcjami słynny włoski wulkan – Etna – sprawia wrażenie „oddychającego”. Interferogramy dotyczące uważanych za wygasłe wulkanów andyjskich ujawniły, że niekoniecznie wszystkie z nich wygasły, niektóre wciąż drzemią.

„Istnieje wiele ciekawych ścieżek badawczych wykorzystujących tą technologię, wliczając wciąż otwarte problemy przewidywania erupcji wulkanicznych oraz trzęsień Ziemi, a także powiązań między oboma zjawiskami” – dodał Briole. – „Obecnie nasz zespół zainteresowany jest zbadaniem Piton de la Fournaise tak dokładnie, jak tylko jest to możliwe, byśmy mogli udoskonalić technikę pod kątem przyszłego wykorzystania w innych badaniach, przygotowując tym samym podwaliny pod swoisty system wczesnego ostrzegania„.