Θερμική τηλεπισκόπηση για τη μελέτη προσεισμικών θερμικών ανωμαλιών

Από RemoteSensing Wiki

“Thermal Remote Sensing Technique in the Study of Pre-Earthquake Thermal Anomalies”

Arun K.Saraf and Swapnamita Choudhur

Πηγή: http://www.igu.in/9-3/5arun.pdf

1.Αντικείμενο Εφαρμογής

Τηλεπισκόπιση και μελέτη σεισμικών φαινομένων

2.Στόχος Εφαρμογής

Η τηλεπισκόπιση αποτελεί έναν αμερόληπτο τρόπο παρατήρησης και μελέτης της γήινης επιφάνειας. Η θερμική τηλεπισκόπιση έφερε νέες εξελίξεις στην μελέτη των σεισμικών φαινομένων. Η θερμοκρασία της επιφάνειας της γης (Land Surface Temperature, LST) μπορεί να υπολογιστεί με τη βοήθεια θερμικών συλλεκτών όπως ο Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR) στον National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), οι Multi-spectral Visible and Infrared Scan Radiometer (MVISR) στην κινεζική σειρά δορυφόρων Feng Yung, οι Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) στους δορυφόρους Aqua και Terra κ.α. Το παθητικό ραδιόμετρο μικροκυμάτων, Special Sensor Microwave Imager (SSM/I) στο Defense Meteorological Satellite Program (DMSP) έχει το πλεονέκτημα να επισκοπεί τις θερμικές εκπομπές της γήινης επιφάνειας σε κάθε καιρό.

Η παρούσα μελέτη εξετάζει την ανάλυση τριών σεισμών με δεδομένα NOAA-AVHRR στην Ινδία, την Αλγερία και το Ιράν. Η παρουσία θερμικών ανωμαλιών στις περιοχές γύρω από το επίκεντρο πριν από το σεισμό παρατηρήθηκε και στις τρεις περιπτώσεις. Οι ανωμαλίες άρχισαν να εξαφανίζονται κατά την διάρκεια των σεισμικών φαινομένων. Επιπλέον δεδομένα SSM/I χρησιμοποιήθηκαν για την ανάλυση ορισμένων σεισμών.

3.Σεισμός BHUJ, Gujarat, Ινδία

Ο δυνατός σεισμός BHUJ έπληξε την Gujarat στις 26 Ιανουαρίου του 2001 στις 03:16 (UTC) με μέγεθος USGS της τάξης του 7.9 (Μw). Η τοποθεσία του επίκεντρου ήταν 23.40ο Ν γεωγραφικό πλάτος και 70.31ο Ε γεωγραφικό μήκος, κοντά στο Bhuj στην πολιτεία του Gujarat. Ο σεισμός ήταν αποτέλεσμα μίας ανατολικοδυτικής ώθησης που προκλήθηκε από ένταση λόγω της πίεσης της Ινδικής τεκτονικής πλάκας προς την Ευρασιατική. Παραταύτα κανένα ρήγμα και καμία θραύση δεν παρουσιάστηκε μετά τον σεισμό. Το θερμικό κανάλι 4 του NOAA-AVHRR δορυφόρου χρησιμοποιήθηκε για να υπολογιστεί η Θερμοκρασία της επιφάνειας της γης (LST) της περιοχής μελέτης. Η ύπαρξη σύννεφων αποφεύχθηκε. Τα δεδομένα από ημέρες που ήταν συννεφιασμένες, δεν μπορούσαν να μελετηθούν για θερμικές αλλαγές καθώς ο AVHRR δεν μπορεί να διαπεράσει τα σύννεφα. Εικόνες LST πριν και μετά από το σεισμό επέδειξαν μία θερμική άνοδο στην περιοχή του νοτιοδυτικού Gujarat. Η θερμοκρασία της επιφάνειας της γης αυξήθηκε στο μέγιστο στις 23 Ιανουαρίου του 2001 μόνο τρεις μέρες πριν από το σεισμό. Σε αυτήν την ημέρα η θερμοκρασία έφτασε τους 28ο C με 31ο C. Αυτή η άνοδος ήταν 5 με 7 βαθμούς ψηλότερη από την μέση θερμοκρασία της περιόδου. Μετά από αυτήν την άνοδο η θερμοκρασία ξεκίνησε να πέφτει. Θερμοκρασιακά δεδομένα NOAA-AVHRR του 2003 χρησιμοποιήθηκαν για να μελετηθεί το σενάριο LST. Αποδείχτηκε ότι οι τιμές του 2003 ήταν απολύτως φυσιολογικές γύρω από το επίκεντρο. Η διαπίστωση στην οποία καταλήγει αυτό, είναι ότι έπρεπε να αναλυθεί η ροπή της εβδομαδιαίας θερμοκρασίας από μετεωρολογικά δεδομένα μερικών Ινδικών σταθμών. Χρησιμοποιώντας σαν βάση τα μέσα εβδομαδιαία μετεωρολογικά δεδομένα συγκρίθηκαν ο μέσες εβδομαδιαίες τιμές από το Δεκέμβριο του 1999 μέχρι τον Ιανουάριο του 2001 από μετεωρολογικούς σταθμούς γύρω από το επίκεντρο. Τα αποτελέσματα της μελέτης έδειξαν ότι από το 1951 μέχρι το 1980 η θερμοκρασία για την Τρίτη εβδομάδα του χρόνου είναι χαμηλότερη από ότι για τη δεύτερη ή τέταρτη εβδομάδα. Παρόλα αυτά το 2001 εμφανίστηκε η μέγιστη αύξηση θερμοκρασίας την εβδομάδα που έλαβε χώρα ο σεισμός.(Εικόνες 1 και 2).

4.Σεισμός Boumerdes, Αλγερία

Ένας δυνατός επιφανειακός σεισμός μεγέθους 6.8 Mw έπληξε την Αλγερία στις 21 Μαΐου του 2003 στις 18:44 (UTC). Οι συντεταγμένες της τοποθεσίας του επίκεντρου ήταν 36.90ο Ν γεωγραφικό πλάτος και 3.71ο Ε γεωγραφικό μήκος. Ο σεισμός ακολουθήθηκε από αρκετούς μετασεισμούς μεγέθους από 2.4 Μw έως 5.7 Μw μέχρι και τις 28 Μαΐου του 2003. Η αφρικανική πλάκα κινείται προς την Ευρασιατική κατά μήκος της μεσογειακής ακτής της Αλγερίας με έναν ρυθμό της τάξεως των 6mm το χρόνο. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα μία συνθλιπτική δύναμη, η οποία προκαλεί μία σειρά από ρηγματώσεις και θραύσεις στην περιοχή. Χάρτες LST που δημιουργήθηκαν από τρία νυχτερινά, καθημερινά δεδομένα ΝΟΑΑ-AVHRR, τα οποία παρατηρήθηκαν από το Γερμανικό Κέντρο Διαστήματος (DLR), της Κολωνίας. Οι χάρτες αυτοί χρησιμοποιήθηκαν για να μελετηθούν οι θερμικές καταστάσεις πάνω από το Bourmedes, πριν και μετά το σεισμό. Ο υπολογισμός βασίστηκε σε λογισμικό «split window», χρησιμοποιώντας τα κανάλια 4 και 5των δεδομένων AVHRR. Η χρήση νυχτερινών φωτογραφιών αποκλείει την ηλιακή ακτινοβολία της ημέρας. Τα νυχτερινά δεδομένα επίσης μειώνουν τις πιθανότητες μερικής ηλιακής ακτινοβολίας. Ο σύνθετος LST χάρτης της νύχτας της 13ης Μαΐου του 2003 έδειξε την εμφάνιση θετικών θερμικών ανωμαλιών στην περιοχή νότια του επικέντρου του σεισμού. Αυτή η ανωμαλία εντάθηκε φτάνοντας στο μέγιστο της θερμικής ακτινοβολίας τη νύχτα της 20ης Μαΐου του 2003, καλύπτοντας μία περιοχή έκτασης 91,100 Km2. Η θερμοκρασία αυξήθηκε φτάνοντας τους 20ο C με 24ο C, περίπου 5 – 10ο C παραπάνω από την ευρύτερη περιοχή. Ομοίως θερμικές ανωμαλίες μικρότερης έντασης εμφανίστηκαν πριν από τους μεγάλους μετασεισμούς (Εικόνα 3).

5.Σεισμός Bam, Ιρακ

Ο καταστροφικός σεισμός στην πόλη Bam του Ιρακ χτύπησε στις 26 Δεκεμβρίου του 2003 στις 01:55 (UTC) με μέγεθος 6.6 Μw. Σε βάθος 10 km, το επίκεντρο τοποθετήθηκε στους 29.00ο N και 58.33ο E κοντά στην 2000 χρόνων πόλη Bam. Ο σεισμός δημιουργήθηκε από μία δεξιά πλευρική κίνηση του Βόρειου- Νότιου ρήγματος του Bam. Το ρήγμα αυτό εκτείνεται ανάμεσα στις πόλεις Bam και Βaravat, με εγγύτητα προς την Bam. Χάρτες LST ετοιμάστηκαν για το Ιράν με χρήση του καναλιού 4 του NOAA-AVHRR. Θερμική ανωμαλία παρατηρήθηκε πριν από τον καταστροφικό σεισμό (Εικόνα 4). Η αύξηση κυμαινόταν περίπου 5- 7ο C από την συνηθισμένη θερμοκρασία της περιοχής, ενώ η θερμοκρασία ήταν 8 -10οC ψηλότερα απ’ ότι συνήθως. Οι χάρτες δείχνουν ότι η αύξηση της θερμοκρασίας ξεκίνησε στις 22 Δεκεμβρίου του 2003 και παρέμεινε μέχρι τις 24 Δεκεμβρίου του 2003. Η θερμοκρασία σημείωσε πτώση την ημέρα που έγινε ο σεισμός, στις 26 Δεκεμβρίου.

6.Σεισμός Kalat, Πακιστάν και σεισμός Hindukush, Αφγανιστάν.

Το SSM/I της σειράς δορυφόρων DMSP είναι ένα παθητικό ραδιόμετρο μικροκυμάτων που έχει το πλεονέκτημα του ότι μπορεί να διαπερνά τα σύννεφα. Η χωρική ανάλυση αυτού του συλλέκτη είναι 30 km για όλα τα παραγόμενα. Θερμοκρασιακές μεταβολές που λαμβάνονται από SSM/I δεδομένα σέβονται τις μέσες κλιματολογικές τιμές μεταξύ των χρόνων από το 1988 μέχρι το 2002. Σύνθετοι χάρτες από δορυφορική παρακολούθηση εφτά ημερών προετοιμάζονται σαν εβδομαδιαία παράγωγα. Η θερμοκρασιακή ανωμαλία υπολογίζεται σχετικά με τη μέση θερμοκρασία των δεκατεσσάρων χρόνων. Η θερμοκρασιακή σκάλα παρουσιάζει θερμοκρασιακές μεταβολές σε βαθμούς Κελσίου που είναι σε αντιστοιχία με τη βασική περίοδο των δεκατεσσάρων χρόνων. Ο σεισμός Kalat στο Πακιστάν στις 4 Μαρτίου του 1990 (επίκεντρο 28.92ο Ν και 66.33ο Ε) και ο σεισμός Hindukush στο Αφγανιστάν στις 25 Μαρτίου του 2005 (επίκεντρο 35.97ο Ν και 69.18ο Ε) και οι δύο μεγέθους 6.1 Μw (USGS), δείχνουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον με SSM/I δεδομένα. Και στους δύο αυτούς σεισμούς προηγήθηκε θερμική ανωμαλία (Εικόνα 5). Η τοποθεσία των δύο σεισμών έγινε σε παρόμοια τεκτονική περιοχή, αλλά με άλλο σεισμικό βάθος. Είναι και οι δύο επιφανειακοί σεισμοί, ο μεν πρώτος με βάθος 10 km, ο δεύτερος με βάθος 33km. Παρατηρήθηκε ότι ο σεισμός με μεγαλύτερο βάθος στο Hindukush έδειξε μεγαλύτερης χωρικής έκτασης θερμική ανωμαλία. Οι χάρτες εβδομαδιαίας θερμικής ανωμαλίας για το Katal έδειξαν ανάπτυξη μιας θερμικής ανωμαλίας κοντά στην περιοχή του επικέντρου 2 εβδομάδες πριν από το σεισμό, η οποία έφτασε στο μέγιστο την εβδομάδα πριν από το φαινόμενο με τις θερμοκρασιακές μεταβολές να κυμαίνονται από 2- 10ο C. Οι ανωμαλίες εξαλείφθηκαν την βδομάδα όπου έγινε ο σεισμός.

7.Σεισμός Izmit, Τουρκία

Το ενεργό Βόρειο-Ανατολικό ρήγμα δημιουργεί πολλούς σεισμούς στην Τουρκία. Οι χάρτες θερμικής ανωμαλίας από δεδομένα SSM/I έδειξαν ότι πριν από τον καταστροφικό σεισμό στις 17 Αυγούστου του 1999, μεγέθους 7.9Mw στο Izmit, υπήρχε αύξηση της θερμοκρασίας στην περιοχή (Εικόνα 6). Η ανωμαλία, η οποία ξεκίνησε να εμφανίζεται από τις 6 Αυγούστου, επικεντρώθηκε στην περιοχή του επικέντρου αρχικά, αλλά εν συνεχεία εξαπλώθηκε στην δυτική Τουρκία. Οι χάρτες φανερώνουν μία διαφορά της τάξεως των 2- 6ο C στην περιοχή. Η εβδομάδα που ακολούθησε παρουσίασε επιπλέον αύξηση φτάνοντας τους 6ο – 10ο C πάνω από ότι τη βασική περίοδο. Η ανωμαλία εξαφανίστηκε αμέσως μετά το σεισμό στις 19 Αυγούστου και στις 20 Αυγούστου οι τιμές της θερμοκρασίας κυμαίνονταν σε φυσιολογικά επίπεδα. Το Βόρειο –Ανατολικό ρήγμα ωθεί το βόρειο τμήμα της Τουρκίας από ανατολικά στα δυτικά και εξαναγκάζει το εσωτερικό της Τουρκίας που βρίσκεται προς το νότο να μετατοπίζεται προς τα δυτικά.

8.Συμπεράσματα

Η ιστορία της εφαρμογής της τηλεπισκόπισης στους φυσικούς πόρους ξεκίνησε από τη Ρωσία τη δεκαετία του 60. Η χρήση θερμικών δεδομένων για τη σεισμική ανάλυση ξεκίνησε επίσης από τη Ρωσία. Παρόμοιες μελέτες έγιναν επίσης στην Ιαπωνία και την Κίνα. Πριν από την εκδήλωση ενός σεισμού, η παραμόρφωση της γήινης επιφάνειας δημιουργείται από το πεδίο τάσεων. Λόγω αυτού του ενεργού πεδίου τάσεων, η υπόγεια πίεση αυξάνει προκαλώντας και αύξηση της θερμοκρασίας. Αυτή η απόκλιση από το φυσιολογικό στο θερμικό καθεστώς μπορεί να αποτελέσει μία ενδιαφέρουσα παρατήρηση για τις σεισμικές έρευνες. Η ένταση των τάσεων σε ένα τεκτονικό πεδίο έχει επίσης σαν αποτέλεσμα την παραγωγή και την εξάπλωση μικρορωγμών. Τα αέρια που ήταν παγιδευμένα σε αυτούς τους πόρους απελευθερώνονται και δημιουργούν ένα τοπικό φαινόμενο του θερμοκηπίου, δημιουργώντας επιπλέον θερμική ανωμαλία στην επιφάνεια της γης. Αυτή η ανωμαλία στις θερμικές ιδιότητες κοντά στην επιφάνεια της γης, αν ανιχνευθεί από θερμικά κανάλια όπως το AVHRR, μπορεί να αποτελέσει έναν σημαντικό δείκτη ενός επικείμενου σεισμού.