Monitoramento de terremotos é impulsionado de novo satélite

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Monitoramento de terremotos é impulsionado de novo satélite
Em 24 de agosto de 2014, a área da Baía de São Francisco abalou em um terremoto de M w 6,0, a maior da região
em 25 anos. Os tremores feriram cerca de 200 pessoas, mataram 1 pessoa e danificaram edifícios perto do
epicentro do terremoto no sul do Vale de Napa, na Califórnia. Também desencadeou uma disputa científica para
medir o movimento da falha e marcou o alvorecer de uma nova era de monitoramento de satélites de terremotos
graças a uma espaçonave recém-lançada: o Sentinel-1A da Agência Espacial Europeia.
O lançamento do Sentinel-1A marca um aumento radical em nossa capacidade de monitorar
nosso planeta dinâmico e inquieto.
Por mais de duas décadas, os satélites de radar baseados no espaço têm medido como o solo se move com
extraordinária precisão e resolução espacial. Comparar elevações relativas tiradas dos mesmos lugares em
momentos diferentes ajuda os cientistas a entender a dinâmica de uma variedade de fenômenos geofísicos,
incluindo terremotos, vulcões, deslizamentos de terra, fluxo de geleiras e subsidência do solo [Burgmann et al.,
2000].
No entanto, as missões passadas de radar de satélite não foram projetadas nem otimizadas para atingir locais na
Terra que sofrem mudanças rápidas de superfície. Como resultado, os dados sobre regiões dinâmicas da superfície
da Terra são muitas vezes intermitentes, mal direcionados, coletados ao acaso e, em alguns casos, coletados por
meios que os cientistas lutam para pagar.
O lançamento do primeiro satélite na constelação Sentinel-1 da Comissão Europeia em 3 de abril de 2014 mudou
isso, marcando um aumento radical na nossa capacidade de monitorizar o nosso planeta dinâmico e inquieto.
O Sentinel-1A, agora totalmente operacional, será o primeiro satélite a adquirir dados de radar sistemática e
frequentemente sobre todas as áreas tectônicas e vulcânicas da Terra. O potencial do satélite foi demonstrado pela
precisão com que monitorava a deformação do solo do terremoto de Napa do Sul, bem como o movimento tectônico
que ocorreu nos meses seguintes.
Como o Sentinel-1A pode medir o terremoto?
O Sentinel-1A mapeia um deslizamento de terremoto com seu radar de abertura sintética interferométrica (InSAR). O
SAR funciona enviando pings de microondas, que atingem a superfície da Terra e refletem de volta ao satélite. A
força das microondas refletidas de volta à medida que as varreduras de satélite permitem que os cientistas criem
uma imagem do terreno abaixo.
O InSAR vai além deste processo – constrói uma imagem não apenas com a força do feixe de radar refletido, mas
com a fase do microondas saltado de volta para o satélite [por exemplo, Hooper et al., 2012]. Ao comparar a
diferença de fase em imagens tiradas antes e depois de um terremoto, a mudança na distância para o alvo – e,
http://earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/nc72282711#general_summary
http://earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/nc72282711#general_summary
https://earth.esa.int/web/guest/missions/esa-operational-eo-missions/sentinel-1
http://science.nasa.gov/missions/seasat-1/
http://www.esa.int/About_Us/ESA_Publications/InSAR_Principles_Guidelines_for_SAR_Interferometry_Processing_and_Interpretation_br_ESA_TM-19
http://www.sandia.gov/radar/what_is_sar/index.html
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portanto, pequenos movimentos do solo – pode ser medida com melhor precisão do que o nível de centímetros.
Usando esses deslocamentos do solo, os cientistas podem então modelar o deslizamento inferido que ocorreu no
plano de falha em profundidade.
Ao contrário das missões anteriores de radar de satélite, o Sentinel-1A foi projetado especificamente para monitorar
a deformação do solo. O satélite voa em um tubo orbital muito menor no espaço e pode ver mais longe, melhorando
muito a qualidade dos dados coletados.
Sentinel-1A e o terremoto de Napa do Sul de 2014
Danos em Napa, Califórnia, após o terremoto M w 6,0 Sul Napa, que sacudiu a região em 24 de agosto de 2014. Crédito da
imagem: Austin Elliott
O terremoto de Napa do Sul foi o maior a atingir a área da baía de São Francisco desde o terremoto de Loma Prieta
de 1989 M ? 6,9 (Figura 1). O terremoto raso atingiu o Vale de Napa às 03:20, horário local, em 24 de agosto, de
acordo com os EUA. Centro Nacional de Informações sobre Terremotos do Serviço Geológico (USGS), com o
epicentro localizado ao sul de Napa, uma cidade com uma população de 77.000 habitantes.
O terremoto abalou apenas algumas semanas depois que o Sentinel-1A atingiu sua órbita operacional final e foi o
primeiro evento geofísico que o satélite pegou com exames antes e depois. O evento provou ser uma demonstração
poderosa das capacidades do satélite, revelando não apenas a deformação que ocorreu devido ao terremoto em si,
mas também o movimento de falha raso e lento nas semanas seguintes ao terremoto.
O terremoto escorregou principalmente ao longo de uma parte anteriormente parcialmente mapeada da zona de
Falha de West Napa, uma área que se acredita armazenar um pequeno componente da energia sísmica potencial
através desta parte da Califórnia [ 2005]. O primeiro interferilo criado pelo Sentinel-1A mostra que o lado leste da
ruptura se moveu cerca de 10 centímetros em direção sudeste, combinando observações de superfície por cientistas
da Universidade da Califórnia, Davis e do USGS.
Normalmente, os movimentos do solo na Califórnia seguem padrões de deslizamento de greve, em que diferentes
regiões de crosta deslizam umas pelas outras ao longo da falha. No entanto, longe do traço de falha, particularmente
perto das extremidades da ruptura, o movimento vertical significativo também pode deformar o solo.
Sentinel-1A revela todo esse movimento em grande detalhe. Os pequenos deslocamentos superficiais medidos no
interferograma concordam com as pequenas compensações medidas no campo por geólogos que examinam a
ruptura de falhas, que encontraram deslocamentos em estradas e pedras de meio-fio de cerca de 10 a 20
centímetros (A. E. A Morelan e a C. Trexler, comunicação pessoal, 2014).
Documentando o efeito de onvó no espaço e no tempo do terremoto
https://i0.wp.com/eos.org/wp-content/uploads/2015/02/Web_Embed.jpg?ssl=1
http://www.livescience.com/48324-loma-prieta-earthquake-25th-anniversary-in-pictures.html
http://www.livescience.com/48324-loma-prieta-earthquake-25th-anniversary-in-pictures.html
http://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-2742764/The-psychedelic-image-space-reveals-just-big-Napa-earthquake-really-was.html
http://www.exploratorium.edu/faultline/basics/faults.html
http://www.exploratorium.edu/faultline/basics/faults.html
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- Fig. - Não. 2. Visão ampliada do campo de deformação ao redor do Aeroporto do Condado de Napa mostrando a principal ruptura a 
descontinuidade na fase (marcada por triângulos brancos) nas pistas (linhas pretas grossas).
O interferograma também revelou outras partes do sistema de falhas que se moveram ligeiramente neste evento.
Linhas afiadas no interferograma, conhecidas como descontinuidades de fase, mostram movimentos menores em
outras falhas, como a parte da zona West Napa Fault que corre sob o Aeroporto do Condado de Napa (Figura 2).
Esta informação, útil para iluminar outras partes ativas de sistemas de falhas, pode ajudar a direcionar a
investigação de campo futura que analisa a atividade de falhas.
Em 12 de setembro de 2014, o Sentinel-1A adquiriu uma terceira imagem sobre a ruptura do terremoto de South
Napa. A descontinuidade acentuada neste interferograma (Figura 3) mostra um deslizamento adicional de cerca de 2
centímetros ao longo da falha após o terremoto principal, confirmando lindamente outras observações de campo
generalizadas.
Fig. 3. Postseismic interferogram built by comparing scans from 31 August 2014 with those from 12 September 2014, showing shallow
about 2 centimeters along the fault (indicated by the sharp trace separating pink from yellow, marked with white triangles). The black ou
City. The interferometric results can be downloaded here.
The rupture and afterslipwere also captured by other satellites (Italy’s Constellation of Small Satellites for the
Mediterranean Basin Observation (COSMO-SkyMed) and Canada’s Radarsat-2), as well as airborne radar systems
(NASA’s Uninhabited Aerial Vehicle Synthetic Aperture Radar (UAVSAR), an instrument mounted to a modified
https://i0.wp.com/eos.org/wp-content/uploads/2015/02/Web_figure_2.jpg?ssl=1
https://i0.wp.com/eos.org/wp-content/uploads/2015/02/Web_figure_3.jpg?ssl=1
https://insarap.org/
http://www.cosmo-skymed.it/en/index.htm
http://www.asc-csa.gc.ca/eng/satellites/radarsat2/
http://uavsar.jpl.nasa.gov/
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business jet). Combining these various data sets offers scientists the chance to build up a relatively dense time series
of the evolution of fault slip and aseismic creep, enabling them to better understand fault friction and behavior.
New SAR Acquisition Mode
The images that Sentinel-1 acquired over Napa Valley in August 2014 happened to be in “StripMap” mode, in which
the satellite scans the ground in a single strip, generating one long image 80 kilometers wide. StripMap is similar to
the default high-resolution mode used by most previous radar satellites. However, for Sentinel-1, the default radar
acquisitions over continental areas will be in a novel mode, in which the craft steers its radar beam, taking three
smaller and slightly overlapping images that will be stitched together into one wider image [Salvi et al., 2012].
The most significant advantage of this new scanning mode, called Terrain Observation by Progressive Scans
(TOPS), is that a 250-kilometer-wide image can be acquired at high spatial resolution. This wider swath means that
Sentinel-1A is the first radar satellite that can revisit any point on Earth’s land surface every 12 days.
On the other hand, TOPS introduces a new challenge: The wealth of individual images requires very different
processing and data management methods than the old SAR acquisition types with a single image per product. An
active research topic for the community of scientists involved with analyzing SAR/InSAR data involves developing
strategies for optimally handling TOPS data. These strategies include creating new software processing tools for the
radar and using large hardware servers to be able to store the anticipated huge volumes of data that will be collected
over the 20-year lifetime of the program.
[pullquote float=”left”]Sentinel-1A’s wide swath makes it the first radar satellite that can
revisit any point on Earth’s land surface every 12 days.[/pullquote]Open Data and Other
Future Aspirations
The science team plans to be ready by mid-2015 to process the vast quantities of data that Sentinel-1A will collect. In
2016, Sentinel-1A will be joined by a second, identical satellite, Sentinel-1B, completing the constellation. The added
satellite will double the amount of data collected and halve the revisit time to 6 days, improving the quality of data and
capturing with greater ease rapidly changing events as they unfold. The mission will have a long duration to ensure
data consistency and continuity, with future launches planned as each satellite fails or runs out of fuel to extend the
time series to at least 20 years.
For the first time for any radar mission, Sentinel-1 data will be freely available to the whole community. Specifically,
the UK Natural Environment Research Council’s Centre for the Observation and Modelling of Earthquakes,
Volcanoes and Tectonics (COMET) plans to provide the research community with the processed InSAR results from
Sentinel-1 for all the tectonic and volcanic regions of the planet. This data availability will greatly widen the group of
users and scientists who will be able to exploit these previously restricted data sets.
When the Sentinel-1 constellation is fully operational, the average time delay between an earthquake and the first
post-event acquisition will be just 1.5 days. The team will post interferograms and standard analyses of the InSAR
data for earthquakes online in near-real time, providing robust information for scientists and responders in the field.
At the same time, the regular acquisitions of data will quickly build into large stacks for each track as the mission
progresses. COMET will use these to produce estimates of average surface velocities and time-dependent motions.
These estimates can help scientists assess the slow accumulation of interseismic strain around locked faults and also
probe the fluid-like behavior deeper within the crust.
By 2034, there will be a 20-year archive of radar data from the Sentinel-1 program. We can expect that this archive
will fundamentally change the way we view our planet, monitor surface processes, and analyze the evolution of
geohazards over time.
Acknowledgments
We gratefully acknowledge the European Space Agency’s (ESA) Copernicus program and also funding from ESA’s
Scientific Exploitation of Operational Missions (SEOM) program under contract 4000110680/14/I-BG. The
interferograms presented are a derived work of Copernicus data, subject to the ESA use and distribution conditions.
References
Burgmann, R., P. A. Rosen, and E. J. Fielding (2000), Synthetic aperture radar interferometry to measure Earth’s
surface topography and its deformation, Annu. Rev. Earth Planet. Sci., 28, 169–209,
doi:10.1146/annurev.earth.28.1.169.
d’Alessio, M. A., I. A. Johanson, R. Bürgmann, D. A. Schmidt, and M. H. Murray (2005), Slicing up the San Francisco
Bay Area: Block kinematics and fault slip rates from GPS-derived surface velocities, J. Geophys. Res., 110, B06403,
doi:10.1029/2004JB003496.
Hooper, A., D. Bekaert, K. Spaans, and M. Arıkan (2012), Recent advances in SAR interferometry time series
analysis for measuring crustal deformation, Tectonophysics, 1–13, doi:10.1016/j.tecto.2011.10.013.
http://funnel.sfsu.edu/creep/WhatsCreepPage.html
https://sentinel.esa.int/web/sentinel/user-guides/sentinel-1-sar/acquisition-modes/stripmap
https://earth.esa.int/web/sentinel/sentinel-1-sar-wiki/-/wiki/Sentinel%20One/Topsar+Processing
https://earth.esa.int/web/guest/missions/esa-operational-eo-missions/sentinel-1
http://comet.nerc.ac.uk/
http://www.esa.int/Our_Activities/Observing_the_Earth/Copernicus/Overview3
http://seom.esa.int/
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Salvi, S., S. Stramondo, G. J. Funning, A. Ferretti, F. Sarti, and A. Mouratidis (2012), The Sentinel-1 mission for the
improvement of the scientific understanding and the operational monitoring of the seismic cycle, Remote Sens.
Environ., 120, 164–174.
Author Information
John R. Elliott, Centre for the Observation and Modelling of Earthquakes, Volcanoes and Tectonics (COMET), Natural
Environment Research Council, UK; also at Department of Earth Sciences, University of Oxford, UK; Austin J. Elliott,
Earth and Planetary Sciences, University of California, Davis; Andrew Hooper, COMET and School of Earth and
Environment, University of Leeds, UK; Yngvar Larsen, Northern Research Institute, Tromsø, Norway; Petar
Marinkovic, Laboratories for Processing Planetary Observations (PPO.Labs), The Hague, Netherlands; Tim J. Wright,
COMET and School of Earth and Environment, University of Leeds, UK
Citation: Elliott, J. R., A. J. Elliott, A. Hooper, Y. Larsen, P. Marinkovic, and T. J. Wright (2015), Earthquake
monitoring gets boost from new satellite, Eos, 96, doi:10.1029/2015EO023967. Published on 12 February 2015.
Text © 2015. The authors. CC BY 3.0
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