Χρήση εικόνων ραντάρ για την παρακολούθηση υπόγειων διεργασιών
Από RemoteSensing Wiki
Πηγή
Science and Technology Review
Τίτλος κειμένου
Monitoring Earth’s Subsurface from space
Συγγραφέας
Gabriele Rennie
Εισαγωγή
Από το 1945 που οι αμερικανοί επιστήμονες διεξήγαγαν την πρώτη πυρηνική τους δοκιμή, τα έθνη έχουν υπογράψει μια σειρά από συνθήκες για την μείωση του πεδίου των πυρηνικών δοκιμών καθώς και την πλήρη εξάλειψή τους. Οι ΗΠΑ, αν και δεν έχουν επικυρώσει τη συνθήκη του 1966 για την απαγόρευση κάθε είδους πυρηνικών δοκιμών (CTBT), κάνουν μια σημαντική προσπάθεια να παρακολουθήσουν παγκοσμίως τις πυρηνικές εκρήξεις. Η ανίχνευση και ο προσδιορισμός των σεισμικών γεγονότων είναι μια από τις κυρίαρχες μεθόδους στην προσπάθεια αυτή. Η πιθανότητα πραγματοποίησης μιας πυρηνικής δοκιμής με παράλληλη σκόπιμη μείωση των σεισμικών της σημάτων, έχει οδηγήσει στην ανάπτυξη εργαλείων που συμπληρώνουν τις υπάρχουσες τεχνικές παρακολούθησης σεισμικών φαινομένων. Επιπλέον, τα εργαλεία αυτά αυξάνουν την ακρίβεια ανίχνευσης και προσδιορισμού των υπόγειων εκρήξεων. Ένα τέτοιο εργαλείο είναι η χρήση ραντάρ εικόνων από δορυφόρους, για την ανίχνευση κάθετων μετατοπίσεων της επιφάνειας. Τέτοιες μετατοπίσεις μπορεί αν είναι μικρότερες από 1 cm και προκαλούνται από υπόγειες διεργασίες.
Μεθοδολογία
Η τεχνική που χρησιμοποιείται ονομάζεται interferometric synthetic aperture radar (InSAR) και χρησιμοποιείται για την παρακολούθηση της επιφάνειας της γης και την ανίχνευση μυστικών υπόγειων πυρηνικών δοκιμών. Ο δορυφόρος Seasat που εκτοξεύθηκε το 1978, ήταν ο πρώτος που χρησιμοποιούσε μια νέα τεχνολογία ραντάρ που ονομάζεται ραντάρ συνθετικών ανοιγμάτων (SAR). Το σύστημα SAR αποτελείται από έναν μεγάλο δέκτη που συγκεντρώνει μια σειρά από επιστροφές ραντάρ σημάτων καθώς ο δορυφόρος κινείται στην τροχιά του, γεγονός που οδηγεί σε αυξημένη ανάλυση εικόνας. Μια κινούμενη κεραία SAR δύναται να λαμβάνει επιστροφές σε δύο διευθύνσεις δημιουργώντας δισδιάστατες εικόνες. Τα σήματα που εκπέμπει μια SAR κεραία έχουν μια μετατόπιση Doppler καθώς ανακλώνται πίσω σε αυτήν. Αυτό σημαίνει ότι τα μικροκύματα που λαμβάνει η κεραία μπροστά από το δορυφόρο έχουν μεγαλύτερες συχνότητες (θετική μετατόπιση Doppler), ενώ αυτά που λαμβάνονται πίσω από τον δορυφόρο έχουν μικρότερες (αρνητική μετατόπιση Doppler). Η μετατόπιση Doppler είναι μηδενική για τα κύματα που λαμβάνονται ακριβώς μπροστά από την κεραία του δορυφόρου. Η μηδενική τιμή επιτρέπει τη σωστή τοποθέτηση κάθε επιστροφής σήματος κατά μήκος της τροχιάς του δορυφόρου. Με αυτόν τον τρόπο οι ερευνητές δημιουργούν μια δισδιάστατη εικόνα SAR. Το επόμενο βήμα είναι η μετατροπή των δεδομένων SAR σε χάρτες που να δείχνουν τις μετατοπίσεις στην επιφάνεια της Γης. Οι ερευνητές αρχικά ψάχνουν για κοινά σημεία μεταξύ 2 SAR εικόνων. Στη συνέχεια εφαρμόζουν κάποιους αλγόριθμους για να εντοπίσουν τη διαφορά φάσης. Όταν δύο εικόνες SAR της ίδιας περιοχής λαμβάνονται από παραπλήσιες γωνίες λήψης, τότε αυτές μπορούν να συνδυαστούν pixel με pixel. Η διαδικασία αυτή δημιουργεί κάποια χαρακτηριστικά μοτίβα και η καινούργια εικόνα ονομάζεται ιντερφερόγραμα. Κάθε μοτίβο απεικονίζεται στην εικόνα σαν ένας κύκλος χρωμάτων, όπου κάθε κύκλος αντιπροσωπεύει 2,8 cm κάθετης μετατόπισης της επιφάνειας. Όσο μεγαλύτερη είναι η μετατόπιση, τόσο πιο κοντά είναι μεταξύ τους τα μοτίβα. Με αυτήν τη μέθοδο, οι ερευνητές δημιουργούν έναν δισδιάστατο χάρτη μετατοπίσεων για επιφάνειες μεγαλύτερες από 10000 km2. Προσθέτοντας αυτά τα μοτίβα μπορούν να προσδιορίσουν την συνολική μετατόπιση του εδάφους.
Διερεύνηση των Σεισμικών υπογραφών
Στην προσπάθεια παρακολούθησης των πυρηνικών δοκιμών παγκοσμίως, έχουν μελετηθεί ιδιαίτερα οι διαφορές των υπογραφών που παράγονται από τους σεισμούς. Οι σεισμοί και οι υπόγειες εκρήξεις διαφέρουν σε 4 σημεία. Οι εκρήξεις συνήθως συμβαίνουν σε απόσταση λίγων χιλιομέτρων από την επιφάνεια της Γης και παράγουν σφαιρικά συμμετρικά σήματα, ενώ οι σεισμοί ενδέχεται να γίνουν σε πολύ μεγαλύτερες αποστάσεις και παράγουν σήματα κατά μήκος των ασυνεχειών του εδάφους. Ακόμα, οι ελαστικές ιδιότητες του βράχου μετά από ένα σεισμό ή μια έκρηξη τείνουν να διαφέρουν. Τέλος οι εκρήξεις έχουν πολύ μικρότερη διάρκεια από τους σεισμούς. Με βάση αυτές τις διαφορές, οι επιστήμονες έχουν διεξάγει μια σειρά από μετρήσεις που τους επιτρέπουν να διακρίνουν και να ξεχωρίζουν τις εκρήξεις από τις σεισμικές δονήσεις. Γενικότερα η μέθοδος InSAR δίνει στους ερευνητές σημαντικές πληροφορίες για τον ακριβή εντοπισμό του επικέντρου μιας σεισμικής δραστηριότητας. Για παράδειγμα, με την μέθοδο αυτή, έγινε διόρθωση κατά 20 km του επικέντρου που είχε δοθεί για τον σεισμό που έγινε στο Ιράν το 1998.
Συμπεράσματα
Η μέθοδος InSAR έχει γίνει ένα σταθερό εργαλείο για την χαρτογράφηση αλλαγών στην επιφάνεια της Γης από σεισμικές δραστηριότητες. Πέρα από την χρησιμότητά της για την διερεύνηση υπόγειων πυρηνικών δοκιμών, διεξάγεται έρευνα για την επέκτασή της και σε άλλες εφαρμογές. Μια από αυτές είναι η δυνατότητα εντοπισμού υπόγειων δραστηριοτήτων, όπως κάποιο τούνελ, τα οποία είναι δύσκολο να ανακαλυφθούν με οπτικές μεθόδους λόγω της μικροσκοπικής παραμόρφωσης που προκαλούν στην επιφάνεια του εδάφους. Τέλος, γίνεται προσπάθεια να αναπτυχθεί ένα νέο σύστημα που ονομάζεται δυναμικό InSAR, που μπορεί να παράξει μοτίβα μετατόπισης κατά τη διάρκεια πραγματοποίησης ενός φαινομένου. Μια τέτοια εξέλιξη θα έχει τεράστια εφαρμογή στην προσπάθεια έγκαιρης ανίχνευσης μεγάλων φυσικών κινδύνων όπως σεισμοί, ηφαίστεια και τσουνάμι.
