Вчені NASA вимірюють землю, що тоне в Американському Самоа

29 вересня 2009 року поблизу Американського Самоа, Самоа та Тонга стався землетрус магнітудою 8,1, що спричинило цунамі, яке спричинило людські жертви та матеріальні збитки на 200 мільйонів доларів на островах. Землетрус також загострив іншу проблему в Американському Самоа: просідання, або осідання землі. У поєднанні з відносним підвищенням рівня моря опускання суші може збільшити частоту та кількість прибережних повеней.

Захист від повеней на островах вимагає надійних вимірювань того, наскільки ґрунт опускається і де, сказала Жанна Заубер, геофізик з Центру космічних польотів імені Годдарда NASA в Грінбелті, штат Меріленд. «Потрібно детально знати, де земля йде найшвидше», — сказала вона. Sauber і кілька колег з NASA об’єднують інструменти дистанційного зондування, щоб зрозуміти це.

Історично вимірювання опускання на невеликих тропічних островах було важко здійснити з двох причин. Острови часто мають мало ресурсів для отримання детальних вимірювань на поверхні землі, а щільні полуденні хмари та рослинність ускладнюють отримання хороших супутникових даних.

На прикладі острова Тутуїла в Американському Самоа минулого року команда вчених NASA опублікувала дослідження про те, як краще картографувати зміни ґрунту на сейсмонебезпечних островах. Вони виявили, що використання комбінації супутникових і наземних спостережень може призвести до отримання детальнішої та повної карти.

У минулому вчені використовували дані з двох точок вимірювання на Тутуйлі: станції GPS і єдиного мареографа острова. Вони зазвичай поєднували ці точки з супутниковою альтиметрією, що дозволяє вченим широко контролювати висоту поверхні океану. Але ці дані дали лише обмежену картину.

У дослідженні дослідники додали InSAR, або інтерферометричний радар із синтетичною апертурою, який дозволив їм побачити, де змінюється ґрунт. InSAR — це техніка, яка передбачає порівняння супутникових радіолокаційних зображень однієї області, зібраних у різний час, щоб визначити рух на поверхні Землі та відстежувати зміни висоти землі.

Дослідження показало, що Tutuila занурювалася в середньому на 0,24-0,35 дюйма (6-9 міліметрів) на рік між 2015 і 2022 роками порівняно з 0,04-0,08 дюйма (1-2 міліметри) на рік до землетрусу 2009 року. Найвищі темпи занурення відбулися відразу після землетрусу, особливо вздовж берегової лінії.

«Ми знали, наскільки сильно земля деформується в цій одній точці, завдяки GPS-станції, але за допомогою радіолокаційного дистанційного зондування ми можемо отримати набагато щільнішу карту того, що відбувається на острові», — сказала Стейсі Хуан, співробітник з постдокторською програмою NASA в NASA Goddard і провідним автором дослідження.

Створення кращої карти

Дані радарів із синтезованою апертурою збираються з літаків або супутників. Він працює, надсилаючи мікрохвильові імпульси від супутника до поверхні Землі, а потім вимірюючи час, який потрібен імпульсам, щоб відскочити, і силу цього відбиття, або «зворотного розсіювання». На відміну від багатьох супутникових приладів, цей тип радарів може проникати крізь хмари та густу рослинність, дозволяючи дослідникам точно вимірювати відносну висоту та зміни поверхні землі. У дослідженні Хуанга та Заубера використовувалися дані супутника ESA (Європейського космічного агентства) Copernicus Sentinel-1A.

Дослідники також використовували дані супутникового висотоміра, щоб оцінити рівень моря та співвіднести його з вимірюваннями мареографічної станції Паго-Паго на острові. Датчик вимірював рівень моря відносно Тутуїли, тоді як висотомір вимірював абсолютний рівень моря. Різниця між ними показує, серед інших сигналів, рух землі Тутуїли, або рух, відносно центру Землі.

Однією з проблем для оцінки осідання землі на віддалених островах є розуміння того, як на рухи островів може вплинути ширший рух тектонічних плит. Включивши вимірювання з GPS-станції Tutuila, дослідники могли контролювати швидкість вертикального руху.

«Тож ми можемо не тільки сказати, що робить одна точка відносно іншої на острові, ми можемо сказати, що робить цей острів відносно інших місць у всьому світі», — сказав Заубер, співавтор дослідження.

Чому земля тоне

Опускання суші в цій частині західної частини Тихого океану є результатом руху Тихоокеанської та Австралійської тектонічних плит. Коли одна плита проходить під іншою, відбувається явище, яке називається субдукція, уздовж жолоба Тонга, глибокого каньйону в Тихому океані. Землетруси часто є результатом цього процесу, створюючи вертикальне переміщення поверхні острова разом зі змінами поверхні землі.

Щоб зрозуміти, наскільки земля змінилася після кожного землетрусу, вчені вимірюють те, що називається вертикальним рухом землі — рух землі вгору-вниз внаслідок видалення та перегрупування матеріалів у земній поверхні.

«Протягом сотень тисяч років або навіть мільйонів років ці вулканічні острови мають тенденцію тонути, коли вони охолоджуються», — сказав Ерік Філдінг, геофізик з Лабораторії реактивного руху НАСА в Південній Каліфорнії. «Цей тривалий геологічний процес стосується Самоанських островів, і цикл землетрусів додає його».

Підвищення рівня моря ускладнює проблему, сказав Річард Рей, третій автор дослідження та геофізик з NASA Goddard. Наприклад, у Тутуїлі відносний рівень моря підвищується в п’ять разів, ніж у середньому по всьому світу, згідно з попереднім дослідженням, проведеним Реєм і Саубером.

Згідно з аналізом NASA супутникових даних, середній глобальний рівень моря піднявся на 0,11 дюйма (2,7 міліметра) з 2021 по 2022 рік. У цьому дослідженні 2019 року вчені виявили, що до землетрусу підвищення рівня моря в регіоні відносно суші становило від 0,04 до 0,08 дюйма (2-3 міліметри) на рік, але зараз відносне підвищення рівня моря в кілька разів перевищує середній світовий показник.

«Три міліметри можуть здатися небагато, але вони мають значення з часом, коли накопичуються», — сказав Рей.

Багато островів у всьому світі стикаються з підвищенням рівня моря та мають схожі риси з Тутуїлою. Дослідники сподіваються застосувати те, що вони дізналися від Тутуїли, на інших островах для планування стійкості узбережжя, включаючи спільні зусилля між НАСА та ООН для прийняття інформативних рішень у країнах тихоокеанських островів.

Планований на запуск на початку 2024 року, NISAR — скорочення від NASA-ISRO Synthetic Aperture Radar — спільно розроблений NASA та ISRO (Індійською організацією космічних досліджень), відстежуватиме рух земної суші та поверхонь льоду в надзвичайно дрібних деталях, а також допоможе ідентифікувати та відстежувати вертикальні рухи землі навколо світу.

Планування стійкості узбережжя необхідне для захисту людей, які живуть на менших островах, і для цього потрібні надійні дані.

«Нам дійсно потрібно знати, як швидко ця земля тоне, щоб політичні рішення могли ґрунтуватися на наукових даних», — сказав Заубер. «Ви не хочете переселяти людей подалі від їхніх домівок, якщо вони справді не потраплять у жахливу ситуацію». Джерело