Μελέτη των Φυσαλίδων της Πυριτικής Λάβας με Θερμική Τηλεπισκόπηση: Μία νέα τεχνική για την ηφαιστειακή χαρτογράφηση και παρακολούθηση

Από RemoteSensing Wiki

Εικόνα 1: Μικροφωτογραφίες SEM των πρωτογενών υφών της ελαφρόπετρας που εκτίθενται στις επιφάνειες ρυολιθικής ροής (OBS, FVP, CVP). Αξίζει να σημειωθεί το διαφορετικό μέγεθος, το σχήμα και η συνεκτικότητα των φυσαλίδων στα FVP και CVP. Αυτοί οι παράγοντες επηρεάζουν τη φασματική αντίθεση των καναλιών απορρόφησης θερμικού υπερύθρου.

Εικόνα 2: Χάρτες φυσαλίδων LGM σε ανάλυση A. 10.4 m/pixel (TIMS) και ανάλυση B. 90 m/pixel (προσομοίωση ASTER) από εικόνες ακτινοβολίας γραμμικής αποσυνέλιξης. Το επιφανειακό ποσοστό των φυσαλίδων έχει ομαδοποιηθεί σε περιοχές με χρωματικούς κώδικες. Περιοχές με κόκκινο και πορτοκαλί δηλώνουν εμφανίσεις CVP, το πράσινο και το κίτρινο αντιστοιχούν με την πιο άφθονη FVP, και το μπλε και το φούξια δείχνουν το OBS και την πυκνή μικροκρυσταλλική λάβα. Οι περιοχές στα τετράγωνα είναι περιοχές με υψηλά και χαμηλά ποσοστά φυσαλίδων και στα δύο σύνολα δεδομένων.

Ramsey M. S., Fink J. H. 1999. Estimating silicic lava vesicularity with thermal remote sensing: a new technique for volcanic mapping and monitoring. Bull Volcanol (1999) 61 :32–39. Πηγή: http://www.pitt.edu/~mramsey/papers/bulvolc99.pdf (5/11/2016)

Η χρήση των δορυφόρων και των αεροσκαφών για την παρακολούθηση των ενεργών ηφαιστειακών περιοχών και την χαρτογράφηση των προϊόντων των εκρήξεων εξελισσόταν για δεκαετίες. Σταδιακά όλο και πιο σύνθετες τεχνικές επεξεργασίας εικόνων εφαρμόστηκαν σε έναν αυξανόμενο αριθμό συνόλων δεδομένων για να εξαχθούν χαρακτηριστικά όπως ο όγκος του διοξειδίου του θείου σε κηλίδες με τη χρήση του θερμικού υπερύθρου (TIR; Realmuto et al. 1994) και η παρουσία «θερμών σημείων» (hot spots) με υπέρυθρο μικρού μήκους κύματος (Abrams et al. 1991). Αυτή η εργασία περιγράφει την χρήση τηλεπισκόπησης TIR και ένα αναλυτικό μοντέλο που αναπτύχθηκε (Ramsey and Christensen 1998) για την εκτίμηση των επιφανειακών φυσαλίδων(πρόκειται για μία μετάφραση της λέξης vesicularity. Vesicles είναι οι φυσαλίδες των ορυκτών. Συνεπώς, ένας βράχος που μοιάζει με ελβετικό τυρί έχει φυσαλιδώδη υφή. Οι φυσαλίδες κυμαίνονται σε σχήμα από το σφαιρικό στο επίμηκες και στο μέγεθος από ~ 1mm έως περισσότερο από 1 cm) της ρυολιθικής ροής του Little Glass Mountain στη βόρεια California.

Η τηλεπισκόπηση των ενεργών δόμων λάβας παρέχει πληροφορίες σχετικά με τη διάρκεια της συνεχούς εκροής λάβας και την ανίχνευση της πιθανής εκρηκτικής δραστηριότητας που σχετίζεται με αυτή. Σε ανενεργές ροές, μεταβολές στην υφή της επιφάνειας που κυμαίνονται από πυκνό γυαλί έως ελαφρόπετρα με υψηλό ποσοστό φυσαλίδων μπορούν να σχετίζονται με την ώρα της τοποθέτησης, το περιεχόμενο σε πτητικές ουσίες και την εσωτερική δομή. Επιφανειακές κισσηρώδεις υφές παράγουν επίσης αλλαγές στα φάσματα θερμικής εκπομπής που είναι ευδιάκριτα με τη χρήση της τηλεπισκόπησης. Φασματικά, οι υφές περιγράφουν ένα συνεχές που αποτελείται από δύο «καθαρούς στόχους», οψιδιανού και φυσαλίδων. Τα διακριτά φασματικά χαρακτηριστικά του οψιδιανού δεν είναι έντονα στην ελαφρόπετρα λόγω της αποτύπωσης των φυσαλίδων, οι οποίες μιμούνται ουδέτερους πομπούς που δεν ανακλούν φασματικά.

Το μοντέλο παρήγαγε μία εικόνα με φυσαλίδες ροής με τιμές από μηδέν (0%) έως περίπου εβδομήντα (~70%), που μπορούν να ομαδοποιηθούν σε τρεις μεγάλες τάξεις υφής: πυκνός οψιδιανός, λεπτή φυσαλιδώδη ελαφρόπετρα και χονδρή φυσαλιδώδη ελαφρόπετρα. Οι τιμές που εξάγονται από την εικόνα συγκρίνονται με εκείνες που προέρχονται από αναλύσεις SEM των συλλεχθέντων δειγμάτων, καθώς και με αποτελέσματα που έχουν αναφερθεί σε προηγούμενες μελέτες.

Συγκεκριμένα, δείγματα από τη ροή LGM συλλέχθηκαν κατά την θερινή περίοδο των ετών 1993-1995. Τα δεδομένα λήφθηκαν από φρέσκες και αλλοιωμένες από τις καιρικές συνθήκες επιφάνειες, καθώς και σε διάφορους προσανατολισμούς ώστε να ποσοτικοποιηθεί το μέγεθος αυτών των επιδράσεων. Τα φάσματα προήλθαν από το σημείο με μέγεθος 2 cm του φασματόμετρου και υπολογίσθηκε ο μέσος όρος για να αναπαρασταθούν οι πολλές διαφορετικές κατευθύνσεις των φυσαλίδων που υπάρχουν στην επιφάνεια της ροής. Το μοντέλο γραμμικής αποσυνέλιξης που αρχικά αναπτύχθηκε για την ανίχνευση ορυκτολογικών μεταβολών (Ramsey and Fink 1994, Ramsey and Christensen 1998), προσαρμόστηκε για χρήση ως αλγόριθμος ανίχνευσης υφής. Πριν από την ανάλυση της εικόνας, το μοντέλο εφαρμόστηκε στα εργαστηριακά δεδομένα και η εκτίμηση των φυσαλίδων που προέκυψε χρησιμοποιήθηκε για τον προσδιορισμό της ακρίβειας και ως ένα σημείο σύγκρισης για τα αποτελέσματα της εικόνας. Οι φυσαλίδες που προήλθαν από το μοντέλο για το εργαστήριο και η TIR απεικόνιση επίσης συγκρίθηκαν με προηγουμένως δημοσιευμένες τιμές και μέσους όρους που αποκτήθηκαν από το SEM. Οι μικροφωτογραφίες SEM που φαίνονται στην εικόνα 1 λήφθηκαν από δείγματα που συλλέχθηκαν στα Obsidian Dome (Δόμος Οψιδιανού) και Long Valley Caldera της California με τις ίδιες μονάδες υφής όπως εκείνες στο LGM. Οι τιμές των φυσαλίδων υπολογίσθηκαν με βάση το ποσοστό των κενών χώρων στο ανώτερο 1 mm κάθε μικροφωτογραφίας.

Στο κομμάτι της τηλεπισκόπησης σε αυτή τη μελέτη χρησιμοποιήθηκαν εναέρια δεδομένα από τον Πολυφασματικό Σαρωτή Θερμικού Υπερύθρου TIMS της NASA. Το όργανο TIMS έχει σχεδιαστεί έτσι ώστε να λειτουργεί εντός του ατμοσφαιρικού παραθύρου TIR, συλλέγοντας έξι (6) φασματικά κανάλια εκπεμπόμενης θερμικής ακτινοβολίας από την επιφάνεια του εδάφους και την παρεμβαλλόμενη ατμοσφαιρική στήλη (Kahle and Goetz 1983). Η ανάλυση κάθε εικονοστοιχείου της εικόνας εξαρτάται από το υψόμετρο του αεροσκάφους και τον τρόπο που αντιλαμβάνεται το όργανο το πεδίο. Τα τμήματα της επιφάνειας που έχουν διαφορετική σύνθεση ή υφές και μία επιφανειακή ένταση μικρότερη από την ανάλυση της εικόνας, ανιχνεύονται ως σύνθετο φάσμα ανά εικονοστοιχείο. Αυτό το φάσμα επίσης περιέχει πληροφορίες για τη θερμοκρασία του εδάφους και την παρεμβαλλόμενη ατμόσφαιρα μεταξύ της επιφάνειας και του αισθητήρα.

Αρκετά στάδια επεξεργασίας και βαθμονόμησης διεξήχθησαν. Η επίδραση της απορρόφησης της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας στην ατμόσφαιρα, εξαλείφθηκε χρησιμοποιώντας το μοντέλο μετάδοσης ακτινοβολίας MODTRAN με τη χρήση ενός standard profile του καλοκαιριού μιας χώρας μέσου γεωγραφικού πλάτους (Berke et al. 1989). Αφού έγινε η ατμοσφαιρική διόρθωση, η βαθμονομημένη επιφανειακή ακτινοβολία μειώθηκε σε ένα συνδυασμό της φωτεινότητας της θερμοκρασίας και της ακτινοβολίας. Όσον αφορά τα εργαστηριακά δεδομένα, η ακτινοβολία που προέρχεται από το TIMS σχετίζεται άμεσα με τις ιδιότητες της επιφάνειας και χρησιμεύει ως μία είσοδος μέσα στο μοντέλο αποσυνέλιξης. Οι εργαστηριακοί στόχοι μειώθηκαν σε διάσταση έξι (6) TIMS. Με το OBS και έναν ουδέτερο πομπό που χρησιμεύουν ως φασματικοί «καθαροί στόχοι», το μοντέλο χρησιμοποιήθηκε για να παραχθεί μία εικόνα με ένα ποσοστό φυσαλίδων για τον δόμο (εικόνα 2). Οι μέσες τιμές από περιοχές με γνωστές επιφανειακές υφές εξήχθησαν από αυτή την εικόνα και συγκρίθηκαν με τα αποτελέσματα του εργαστηρίου και των τιμών που είχαν αναφερθεί προηγουμένως.

Η Τηλεπισκόπηση παρέχει φασματική, χωρική και χρονική κάλυψη τόσο για τη γεωλογική χαρτογράφηση όσο και για την παρακολούθηση πολλών ηφαιστείων στον κόσμο. Η τεχνική που αναφέρεται παραπάνω παρέχει τα μέσα για την ακριβή χαρτογράφηση των επιφανειακών κατανομών αυτών των υφών, καταλήγοντας σε σημαντικά διαφορετικές τιμές από αυτές που προέρχονται από τη χρήση αεροφωτογραφιών. Αν εφαρμοστεί σε ενεργούς δόμους, αυτή η τεχνική θα προσφέρει στους ηφαιστειολόγους την δυνατότητα να παρακολουθούν δόμους μεγάλης αφαίρεσης αερίων και εκρηκτικών δυνατοτήτων σε σχεδόν πραγματικό χρόνο.

Πρόσθετες Πηγές

• Department of Geology and Planetary Science http://www.pitt.edu/~cejones/GeoImages/2IgneousRocks/IgneousTextures/7VesicularAmygdaloidal.html (πρόσβαση στις 13/12/2016)