Vorlesung 12Radar- und Satellitforschung der

Vulkanen

Maly Semlyachik Volcano, Russia

Merbabu (mid-center) Merapi (lower center)

Monitoring von Vulkanischer Aktivität mit Hilfe Satelliten

• Oberflächen-Deformation

• Gravitation

• Gas und Rauch

• Thermische Veränderungen

Monitoring von Oberflächendeformation Wieso? Indiz für unterirdische MagmabewegungenWann? während und zwischen Eruptionen Wie äußert es sich? horizontale und vertikale Deformationen zwischen wenigen Millimetern und einigen Metern

Vorteile SAR Interferometrie (Synthetic Aperture Radar Interferometrie) :

vollständige örtliche Abdeckungkeinerlei Instrumente am Boden erforderlich zwei Radarbilder gleicher Ort und unterschiedliche Zeit

Phasenunterschiede zwischen Bildern:Topographie der OberflächeOberflächenveränderung

Nachteile - SAR Interferometrie:Messungen im Satelliten Vektor (Vertikale) Beeinflussung der Resultate durch: atmosphärische Änderungen,

Feuchtigkeit, Druck, Vegetation, Schneebedeckung, stark reliefartige Oberflächenstruktur, noch in der Entwicklung

Colima, Mexica

Vesuv, Italien

Seit den späten 60er Jahren ist es uns Menschen möglich den eigenen Planeten "von aussen" zu betrachten. Ein unschätzbares Privileg auch für die Geowissenschaften, deren wissenschaftliches Instrumentariummit Hilfe von Geofernerkundung und Informatik um ein vielfaches gewachsen ist. Dank Internet ist der Zugriff auf ehemals geheime oder nur für Wissenschaftler zugängiges Satellitenbilder und Datensätze so einfach und komfortabel wie nie zuvor.

Für die erdumkreisenden Satelliten gibt es grundsätzlich zwei Bahnen: 1. Die geostationäre Bahn: In 36.000 km Höhe halten sich Erdanziehungs- und Fliehkräfte die Waage, so daß der Satellit scheinbar über dem Beobachter auf der Erdoberfläche steht. 2. Die fast polare Umlaufbahn: Diese liegen in einer Höhe zwischen 700 und 1.400 km. Aufgrund der Bahnlage und der Erdrotation wird die Erde in Streifchen - ähnlich dem Schälen einer Orange - aufgenommen. Der Satellit ist in etwa alle 2 Wochen wieder über demselben Gebiet angelangt. Alle Aufnahmen erfolgen zur gleichen Sonnenzeit.

Die Gesamtheit der bei der elektromagnetischen Strahlung auftretenden Wellenlängen wird im elektromagnetischen Spektrum (EMS) dargestellt. Es reicht im Falle der Sonne als Energiequelle vom ultravioletten Bereich (UV, 300-380 nm), über das sichtbare Band (VIS, 380-720 nm), das nahe bis mittlere, reflektierte Infrarot (IR, 720-3000 nm) bis in das emittierte, thermale IR (7000-14000 nm).

Das elektromagnetsiche Spektrum und die Bereiche verschiedener FE-Sensoren. Zusätzlich sind die Strahlungsfenster der irdischen Atmosphäre sowie die Strahlungsenergie eines perfekten Schwarzstrahlers gegenüber der realen Sonne ausgewiesen.

Die Sensoren der Satelliten sind so vielfältig wie die Ziele, die die Konstrukteure und Forscher damit verfolgen. Besonders interessant für die Umwelterziehung sind die Erderkundungssatelliten LANDSAT, SPOT und NOAA. Sie besitzen Sensoren, die für verschiedene Wellenlängenbereiche (sogenannte Kanäle) empfindlich sind. Wie durch den Blick mit verschieden gefärbten Brillengläsern werden vom Sensor nur bestimmte Bereiche aus dem Spektrum der reflektierten Wellenlängen wahrgenommen (spektrale Auflösung). Im Gegensatz zu uns Menschen können auch Bereiche jenseits des für uns sichtbaren Spektrum von 0,4 - 0,7 µm erfaßt werden.

Tabelle: Kanäle von Landsat TM und ihre kurzgefaßten Charakteristika (nach Bähr, 1985) Kanal Wellenlänge Bereich Kurzgefaßte Charakteristika 1 0,45 - 0,52 µm sichtbar blau Unterscheidung von Boden und

Vegetation, Anwendung für Küstengewässer, dringt etwas ins Wasser ein

2 0,52 - 0,60 µm sichtbar grün im ersten Maximum der Grünreflexion, für Vitalitätsuntersuchungen der Vegetation 3 0,63 - 0,69 µm sichtbar rot im Minimum der Grünreflexion, zur

Abgrenzung von anderer Vegetation 4 0,76 - 0,90 µm nahes Infrarot im Maximum der Chlorophyllreflexion,

für Vitalitätsuntersuchungen 5 1,55 - 1,73 µm mittleres Infrarot Trockenindikator für Böden und

Vegetation (bzw. Feuchtigkeitsindikator) 7 2,08 - 2,35 µm mittleres Infrarot zur Unterscheidung von Gesteinen,

geologische Anwendungen 6 10,4 - 12,5 µm thermisches Infrarot thermale Eigenstrahlung mit

reduzierter geometrischer Auflösung von 120 x 120 m

Mit diesen beiden Satelliten wurde eine neue Generation von Erderkundungssatelliten eingeführt. Aus den umgebauten Nimbus Wettersatelliten waren nun speziell konzipierte Erderkundungssatelliten geworden. Die Masse hatte sich verdoppelt. Mit eingeführt wurde ein neues Instrumenten Package. Neben dem MSS (Multispektralscanner) wurde als zweites Hauptinstrument der Thermal Mapper (TM) eingeführt. Der MSS hatte dieselben Daten wie der bei Landsat 1-3, der TM ersetzte die Vidokamera. Es war ein zweiter Multispektralscanner mit 7 Kanälen zwischen 450 und 2350 nm (30 m Auflösung) und einem zwischen 10500 und 12600 nm mit 120 m Auflösung.

Landsat 4

Längst ist der liebevoll „Space-Trabbi" genannte fußballgroße Minisatellit „GFZ1" mit einer Masse von 21 Kilogramm und 60 laserreflektierenden Spiegeln in der oberen Atmosphäre verglüht. Aufgabe von „GFZ1" war die Untersuchung des Erdschwerefeldes. Aus der Vielzahl der bei 24000 Erdumrundungen erfassten Entfernungsdaten konnten Potsdams Geoforscher ein recht genaues Strukturbild des unregelmäßigen Erdschwerefeldes berechnen.

Anwendungen der Satellitenüberwachung für Vulkane* Verfolgen Eruptionswolke

* Messungen der Swefeldioxid in Eruptionswolke* Entdeckung der heiße Eigenschaften an Vukanen

Map shows the location of Mount Spurr and its eruption cloud of sulfur dioxide gas about 15 hours after the volcano stopped erupting on August 18, 1992. Scientists estimated the eruption cloud contained about 240,000 metric tonnes of sulfur dioxide, spread over 370,000 km2. The amount of sulfur dioxide in the above image is shown in Dobson Units, which is the thickness of pure sulfur dioxide gas in centimeters, if the gas was brought down to standard temperature and atmospheric pressure.

Gesamte OzonkartierungsSpektrometer (TOMS)

These false-color images are from the June 16, 1991 eruption of Mt. Pinatubo, Philippines. The gas and ash clouds were tracked by TOMS for several weeks as they encircled the Earth. These satellite observations demonstrate the enormous amounts of gas and ash emitted, as well as details such as differences in peak concentrations and geographic extent.

SO2

Aerosol

Verfolgen Eruptionswolke

Satellite image showing the location of the September 16-17 eruption cloud about 48 hours after the eruption started. This image shows data from a single thermal band of the satellite sensor, the Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR). The eruption cloud from the September, 1992 eruption of Mt. Spurr, Alaska is in this image, but it is difficult to see.

Satellite image showing the location of the September 16-17 eruption cloud about 48 hours after the eruption started. This image shows the result of using the difference between two thermal bands of the AVHRR sensor. The eruption cloud is clearly visible extending in an arc from northern Quebec, southwest above Ontario, Michigan and Wisconsin.

Fernerkundung der heißen vulkanische Eruptionen

A satellite image of a thermal signature and an aerial photograph of Pavlof Volcano acquired on the same day show new volcanic activity. In the satellite image, the new thermal feature is red, low meteorological clouds are light blue, and water is dark blue. The photograph shows a dark area on the snow-covered summit of Pavlof. This dark area is the source of the thermal signature and likely consists of lava spatter, lava flows, and pathways of small lahars. A smaller, steaming vent can be seen lower down on the flank of the volcano.

Synthetik Apertur Radar (SAR) ermöglicht die wetter- und tageszeitunabhängige Aufnahme von Bildern der Erdoberfläche vom Flugzeug oder Satelliten aus. Das Abbildungsverfahren ist holographisch und kohärent, das heißt während Aufnahme und Verarbeitung der Daten bleibt die Phaseninformation der Radarsignale erhalten. Bei der SAR-Interferometrie (InSAR) werden die Phasenwerte jeweils korrespondierender Bildpunkte zweier aus leicht unterschiedlichen Blickwinkeln oder zu unterschiedlichen Zeiten aufgenommener SAR-Bilder verglichen, um Entfernungsunterschiede vom Bruchteil einer Wellenlänge (cm) zu messen. Die solchermaßen erfassten Entfernungsunterschiede werden z.B. genutzt, um - ähnlich wie bei der optischen Stereophotogrammetrie - Geländemodelle der Erdoberfläche zu berechnen, aber auch darüber hinaus um zeitliche Veränderungen der Erdoberfläche im mm- und cm-Bereich zu erfassen (Gletscher, Vulkanismus, Hangrutsche, Erdbeben, Senkungen, etc.). Ein weiteres Anwendungsfeld derRadar-Interferometrie ist die Vermessung von Meeresströmungen.

Spaceborne Imaging Radar-C and X-Synthetic Aperture Radar (SIR-C/X-SAR) is part of NASA's Mission to Planet Earth. The radars illuminate Earth with microwaves allowing detailed observations at any time, regardless of weather or sunlight conditions. SIR-C/X-SAR uses three microwave wavelengths: L-band (24 cm), C-band (6 cm) and X-band (3 cm).

Kilauea, Hawaii

The colors in this image were obtained using the following radar channels: red represents the L-band (horizontally transmitted and received); green represents the L-band (horizontally transmitted, vertically received); blue represents the C-band (horizontally transmitted, vertically received). The resulting color combinations in this radar image are caused by differences in surface roughness of the lava flows. Smoother flows, called pahoehoe flows, are depicted in red, and rougher flows, called a'a flows in volcanology terminology that originated in the Hawaiian language, are shown in yellow and white. Mauna Loa is one of 15 volcanoes worldwide that are being monitored by the scientific community as an "International Decade Volcano" because of the hazard that it represents to the local towns of Hilo and Kona.

Mauna Loa, Hawaii

Kliuchevskoi Volcano optical/radar comparison

The current eruption of Kliuchevskoi included massive ejections of gas, vapor and ash, which reached altitudes of 15,000 meters. Melting snow mixed with volcanic ash triggered mudflows on the flanks of the volcano. Paths of these flows can be seen as thin lines in various shades of blue and green on the north flank in the center of the image.

Kliuchevskoi Volcano, Russia

The Nyiragongo volcano in Congo erupted on January 17, 2002, and subsequently sent streams of lava into the city of Goma on the north shore of Lake Kivu. More than 100 people were killed, more than 12,000 homes were destroyed, and hundreds of thousands were forced to flee the broader community of nearly half a million people. This Landsat satellite image shows the volcano (right of center), the city of Goma, and surrounding terrain. Image data from the Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER) on NASA's Terra satellite were used to supply a partial map of the recent lava flows (red overlay), including a complete mapping of their intrusion into Goma as of January 28, 2002. Lava is also apparent within the volcanic crater and at a few other locations.

Goma, Kongo

Vulkan Ätna, SizilienThis Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer image, acquired on July 29, shows a large sulfur dioxide plume (in purple) originating from the summit of Mt. Etna and drifting southeast over the city of Catania, on the Italian island of Sicily. The eruption started July 17. The instrument's unique combination of high spatial resolution and multiple channels of thermal infrared data allow detailed mapping of the thickness and position of the sulfur dioxide plume. The image covers an area of 52 by 65 kilometers (about 32 by 40 miles).

Mt. Ätna, Sizilien, Italien

Der Gipfel des Vulkans Ätna auf der italienischen Insel Sizilien, einer der aktivsten Vulkane der Welt, ist nahe dem Zentrum dieses Radarbildes erkennbar. Lavaströme verschiedenen Alters und unterschiedlicher Oberflächenrauhigkeit erscheinen, gruppiert um die vier kleinen Gipfelkrater herum, in purpurnen, grünen, gelben und rosafarbenen Tönen.

The two images, taken by the ERS-2 ATSR instrument, show the volcano on the 21st (left) and 24th of July. These daytime images are a false colour combination of the 11 micron and 1.6 micron channels to highlight the extent of the plume of the volcano.

This image, taken by the ERS-2 ATSR instrument, was taken at night and is made from two channels, the infrared 3.7 micron and the 11 micron channel. The 3.7-micron channel shows distinctly the extremely high temperature of the lava.

ASTER - Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection RadiometerMISR - Multi-angle Imaging Spectro RadiometerMODIS - Moderate-resolution Imaging Spectro-radiometer

29 July 2001: this ASTER image shows advancing lava flows on the southern flank of Mt. Etna above the town of Nicolosi, which is potentially threatened if the eruption increases in magnitude. Also visible are glowing summit craters above the main lava flows, and a small fissure eruption.

Landsat 7 ETM+ image acquired on the 5th of August (night image)

Lavaergüsse auf Äthna im Oktober 1999

Lavaergüsse auf Ätna: (a) Mount Ätna 28. Oktober 1999, Landsat ETM+ Band 7, 5, 4; (b) ETM+ Band 4, Pixelgröße 30 m, (c) ETM Band 8, Pixelgröße 15 m

Spektralfunktion der ETM+ Bände 3, 4 und 8. Gestrichelte Linien sind Schwarzkörperstrahldichte bei Temperaturen 1100-600°C. FLOW 1 ist die gemessene Spektraldichte von der Strahlung des Lavaerguß am 28. Oktober 1999 mit TMitte= ca. 1000°C und TKruste= 500°C(Ph=0.07). FLOW 2 und 3 sind berechnete Spektraldichte für TMitte=1000°C und TKruste= 900° (Ph=0.27) und TKruste=700°C (Ph=0.05). Ph=Verhältnis der Oberfläche mit der TKruste und TMitte.

Lava-flow textural trends using SAR: The Virunga Volcanic Chain, East Africa.

Füllt sich Magmenkammer, hebt sich auch die Oberfläche. Mithilfe von Satelliten-Radar-Daten können Forscher die Hebungsrate berechnen - und so Rückschlüsse auf die vulkanische Tätigkeit ziehen.

Doch in vermeintlich ungefährlichen Gegenden machten die Forscher erstaunliche Entdeckungen: Die Oberflächen dreier Vulkane in Peru, Bolivien und Chile, die bislang als schlafend eingestuft wurden, verformen sich derzeit durch Magmenbewegungen oder hydrothermale Aktivitäten darunter - und erreichen dabei teilweise Hebungsraten von über zwei Zentimetern pro Jahr.

MOUNT ETNA, a volcanic peak in Sicily, subsided as magma drained away below it. An interferogram produced by two radar scans made 13 months apart by the ERS-1 satellite displays four cycles of interference fringes, indicating that the top of the mountain settled by about 11 centimeters during this interval.

Ein Satellitenbild des DLR (Landsat-Komposit) als Übersichtskarte zum Vulkanausbruch unter dem Gletscher Vatnajökull, das ist der größte Gletscher Europas.

Satellite data can provide an overview of large volcanic areas in a single frame, making it possible to create image maps of areas as large as 180 x 180 km, with an accuracy comparable to 1:100000 map scale from a single Landsat 5 TM pass over the area. A higher resolution can be achieved by taking data acquired by other satellites (KVR, SPOT, IRS, etc.) and merging these high resolution images with Landsat or other multispectral sources.

Vatnajokull, Iceland - October 1996

An irregular white line represents the steep slopes of a canyon formed by ice melting.

Ein multitemporales Radarbild zeigt die Veränderungen der Eisoberfläche. Wo floss das Schmelzwasser unter dem Eis hin?

Ein 3D-Bild vom Vulkan unter dem Eis

Intensity It is obtained by summing the intensity values of the two images. Due to the very short timeframe between the two acquisitions, the result is quite similar

to the intensity of one acquisition only.

Coherence It is obtained comparing the two images in intensity and in phase. In this way it is possible to detect very small changes. The dark areas indicate where the changes occurred (low coherence).

Phases This image is shows the phase difference between the two images. Each gray cycle (from black to white, with values form 0 to 360 degrees) represent a height difference. Due to this phase repetitivity several cycles are visible.

Unwrapped phases

This image is obtained from the previous one by adding 360 degrees several times, in order to unwrapp thephases. Dark blue indicates the lower part of the image, while red the higher ones. The phases values are converted in altitude values.

Ein Interferogramm aus 2 Radarbildern im Abstand von 1 Tag. Es zeigen sich die Veränderungen an der Eisoberfläche. Die chaotischen Stellen zeigen die Gebiete mit den stärksten Veränderungen.

The image below is obtained from the unwrapped one on a larger area with respect to the above images.

Westdahl Peak volcano, Alaska

Observed interferogram 1993-1998

Modeled interferogram for 0.5 km3 magma intrusion

Interferogram of Mount Peulik volcano, Alaska October 1996 and September 1998 (Lu and others, 2001)This interferogram represents deformation between October 1996 to September 1997. It shows a striking bull's-eye fringe pattern centered on the southwest flank of the volcano. Six fringes that represent about a total of about 17 cm (6.7 inches) of uplift map out the deformation pattern in considerable detail.

Schlußfolgerung:1. Die Erstellung digitaler Geländemodelle auf der Basis von Daten eines abbildenen Radars mit Hilfe der als Interferometrie bezeichneten Verfahrens ist eine der neuesten kartografischen Techniken.

2. Der allgemeine Ansatz, Interferometrie zu verwenden, ist nicht neu. Bereits zuvor haben andere Interferometriesatellitenprojekte ähnlich vielversprechende Ergebnisse in weniger umfassenden Vulkanvermessungsprojekten gebracht. Diese Technik wurde sogar eingesetzt, um Bildung einer Magmakammer bevor und Lavaströme nach Vulkanausbrüchen zu vermessen.

3. Satellitenbeobachtungen ermöglichen bessere Vorwarnung, Monitoring und Risikomanagement der vulkanischen Eruptionen durch prä-eruptiven Warnungen (langfristig, zwischenzeitlich, kurzfristig Prognosen), Syneruptiven Warnungen (was, wann, wo?), Modelierung weiterer Verlauf der Eruption, posteruptiven Warnungen ( Beobachtung Lahars).