Développée à l'origine pour repérer les avions attaquants pendant la Seconde Guerre mondiale, la technologie radar avancée d'aujourd'hui peut détecter une cible mobile très différente: les déplacements de la croûte terrestre qui se produisent aussi lentement que la croissance de vos ongles.
Les données radar de satellites comme Envisat de l’ESA sont utilisées pour construire des «interférogrammes» qui montrent des mouvements terrestres à l’échelle millimétrique. Ces images aux couleurs de l'arc-en-ciel fournissent aux scientifiques de nouvelles perspectives sur le mouvement tectonique et une capacité accrue de calculer les risques qui surviennent lorsque ce ralenti s'accélère, sous la forme de tremblements de terre ou d'activité volcanique.
La charge utile de dix instruments d'Envisat comprend un instrument radar à synthèse d'ouverture avancée (ASAR) conçu pour acquérir des images radar de la surface de la Terre. Une partie de la «mission de fond» assignée à Envisat en orbite autour du monde toutes les 100 minutes consiste à donner la priorité aux acquisitions ASAR par rapport aux ceintures sismiques qui couvrent 15% de la surface terrestre.
"Au moment où Envisat achève sa mission nominale de cinq ans, nous devrions avoir une quantité satisfaisante d'images à travers toutes les ceintures sismiques", a déclaré le professeur Barry Parsons du Centre pour l'observation et la modélisation des tremblements de terre et de la tectonique à l'Université d'Oxford.
«Pour détecter la déformation fine du sol qui nous intéresse, nous avons besoin d'images radar répétées de chaque site. Nous combinons ensuite des paires d'images ensemble en utilisant une technique appelée interférométrie SAR, ou InSAR pour faire court, pour montrer tout changement entre les acquisitions. » (Pour plus d'informations, voir le lien: Comment fonctionne l'interférométrie?)
Pour mesurer avec précision la lente accumulation de déformation à mesure que les plaques tectoniques se déplacent les unes contre les autres le long des ceintures sismiques de la Terre, plusieurs interférogrammes sont combinés, nécessitant de nombreuses images SAR individuelles.
"La raison en est de minimiser toute interférence atmosphérique, par rapport au petit signal de déformation crustale qui nous intéresse", a ajouté Parsons. «En utilisant les données du prédécesseur d'Envisat, l'ERS, notre groupe a récemment mesuré le mouvement tectonique à travers l'ouest du Tibet avec une précision de quelques millimètres par an. Les résultats montrent que les taux de glissement à travers les principales failles de la région sont beaucoup plus faibles qu'on ne le pensait auparavant et que le plateau tibétain se déforme comme un fluide. »
L'InSAR peut également être utilisé pour analyser un mouvement du sol beaucoup plus brutal: des chercheurs ont récemment utilisé des données Envisat pour cartographier la déformation du sol associée au volcan extrêmement actif du Piton de la Fournaise sur l'île R? Union dans l'océan Indien, et pour identifier la faute a provoqué le tremblement de terre de Bam en Iran en décembre 2003.
La faute après la catastrophe de Bam
Plus de 26 000 personnes ont été tuées le 26 décembre 2003, lorsqu'un tremblement de terre de 6,3 degrés Richter a dévasté la ville oasis iranienne de Bam. Son ancienne citadelle? désigné site du patrimoine mondial? s'est effondré dans les décombres. La Charte sur l'espace et les catastrophes majeures a été activée afin que les engins spatiaux, y compris Envisat, acquièrent des images pour soutenir les efforts de secours internationaux.
À la suite de la mission de fond d'Envisat, une image pré-séisme avait été acquise de la région de Bam le 3 décembre 2003, et cela a été combiné avec une image post-séisme acquise le 7 janvier 2004? la date de réacquisition la plus rapprochée possible en raison de la couverture mondiale d'Envisat sur 35 jours? pour effectuer InSAR.
«C'est la première fois que les données d'Envisat sont utilisées pour produire un interférogramme à la suite d'un tremblement de terre majeur», a déclaré Parsons, membre d'une équipe internationale qui étudie le séisme de Bam, comprenant des participants du Geological Survey of Iran et du US Jet Propulsion Laboratory.
Les résultats ont été surprenants, établissant que bien que Bam se trouve dans une ceinture sismique, ce tremblement de terre particulier était venu d'un point auquel personne ne s'attendait. L'Iran est comme le remplissage d'un sandwich géologique à mesure que la plaque arabe avance en Eurasie, et tant de failles sismiques se produisent sur son territoire. Plus particulièrement, la faille Gowk située à l'ouest de Bam a connu plusieurs séismes importants au cours des deux dernières décennies.
Cependant, l'interférogramme d'Envisat a montré que le tremblement de terre de Bam avait résulté de la rupture d'une faille jusque-là non détectée qui s'étend sous la partie sud de la ville, son existence ayant été ratée par des levés au sol. La faille est apparue comme une bande distincte de discontinuité dans l'interférogramme, avec un mouvement de chaque côté allant d'environ cinq jusqu'à 30 centimètres.
En plus de mettre en évidence ces changements de surface, les résultats InSAR peuvent être utilisés pour scruter indirectement sous le sol, avec des modèles logiciels calculant quelles occurrences géologiques correspondent aux événements de surface. Avec Bam, ils ont découvert qu'un glissement de plus de deux mètres s'était produit à une profondeur moyenne de 5,5 kilomètres, le long d'un type de faille distinct.
Revenir
Plus la position d’un vaisseau spatial peut être contrôlée avec précision, plus la ligne de base de l’image InSAR est petite - la distance spatiale entre les acquisitions d’image initiale et de suivi - et meilleure est la qualité de l’interférogramme final. Lors de la première visite d’Envisat à Bam, la ligne de base était suffisamment grande pour que des données d’altitude numériques ERS soient nécessaires pour soustraire les effets topographiques causés par un angle de vue décalé.
Cependant, pour sa prochaine visite, 35 jours plus tard, la direction de l'engin spatial était si précise qu'aucune compensation topographique n'était requise, ce qui représentait une formidable réussite opérationnelle pour Envisat.
"Notre équipe Flight Dynamics a calculé une précision de 93 cm en utilisant des résultats de détermination d'orbite précis de DORIS (Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite) et des observations de télémétrie laser", a déclaré Andreas Rudolph, directeur d'Envisat Spacecraft Manager.
«Des manœuvres orbitales spéciales étaient nécessaires pour atteindre cette précision, ainsi que le travail acharné des équipes du Centre européen d'opérations spatiales (ESOC) ici en Allemagne et de l'Institut européen de recherche spatiale (ESRIN) en Italie? sans oublier un peu de chance! ”
Arpenter un volcan actif
L'interférométrie radar est utilisée pour étudier les tremblements de terre ainsi que les volcans - Envisat a collecté des données sur un exemple extrêmement vivant de ces derniers.
Debout à 2631 mètres au-dessus de l'océan Indien, le volcan Piton de la Fournaise n'est pas situé le long des ceintures sismiques ou du «Ring of Fire» associé, mais comme Hawaï de l'autre côté de la planète? il est situé au-dessus d'un «point chaud» de magma dans le manteau terrestre.
L'Institut de Physique du Globe de Paris (IPGP) exploite un observatoire volcanologique in situ pour surveiller les éruptions et l'activité associée.
«Nous observons ce volcan basaltique depuis 25 ans? c'est l'un des volcans les plus actifs au monde », a commenté Pierre Briole de l'IPGP. «Au cours des six dernières années, il y a eu 13 éruptions, avec une durée moyenne d'un mois. Entre 1992 et 1998 a été une période calme, tandis que huit éruptions se sont produites entre 1984 et 1992. »
Des processus souterrains profonds entraînent une activité volcanique de surface? des fissures et des éruptions de lave se produisent en raison de canaux de lave ou de «digues» qui s'étendent à partir de chambres magmatiques à haute pression. La déformation du sol vers le haut ou vers le bas à proximité d'un volcan donne un aperçu de ce qui se passe sous terre, mais jusqu'à récemment, la quantité de points au sol qui pouvaient être mesurés était très limitée.
«À l'époque des instruments géodésiques au sol, il a fallu plusieurs semaines pour mesurer les coordonnées de peut-être 20 points, avec une précision d'environ un centimètre», se souvient Briole. «Puis, au début des années 90, est venu le système de positionnement mondial (GPS). Grâce au GPS, nous pourrions décupler le nombre de points mesurés au cours d'une campagne d'une semaine, jusqu'à une précision d'un demi-centimètre. Mais la déformation du sol causée par une éruption est généralement extrêmement localisée dans l'espace, et ces 200 points sont répartis sur la zone du volcan. "
Il a fallu une autre technologie spatiale pour améliorer le GPS: les interférogrammes du Piton de la Fournaise, basés sur plus de 60 images Envisat acquises l'année dernière. L'IPGP fait partie d'une équipe exploitant les données qui comprend également des participants des universités Blaise Pascal (Clermont-Ferrand II) et R? Union.
"Nous avons de la chance avec le Piton de la Fournaise, car son emplacement éloigné au milieu de l'océan signifie qu'il n'y a pas de conflit avec d'autres cibles potentielles d'Envisat, et nous obtenons donc plus d'acquisitions que la plupart des autres utilisateurs de l'imagerie ASAR", a ajouté Briole. . «L'InSAR d'Envisat s'est révélé être un outil extrêmement puissant pour nous, car il fournit une très grande densité d'informations sur l'ensemble du volcan.
«Avec de nouvelles éruptions qui se produisent si souvent, nos campagnes au sol n'ont pas pu suivre le rythme, mais l'interférométrie nous donne des données sur chaque éruption. Et alors que le volcan est un endroit très difficile à exploiter? souvent avec une mauvaise visibilité du temps et un flanc oriental très raide? toutes les parties du volcan jusqu'à la ligne de végétation sont accessibles avec InSAR. »
L'InSAR révèle un schéma d'inflation au sol dans les mois précédant une nouvelle éruption, à mesure que la pression dans la chambre magmatique augmente. Après une éruption, la pression diminue et une déflation se produit.
Des déformations localisées se produisent également lorsque des digues de magma se propagent et atteignent la surface. L'ampleur de la déformation associée à une nouvelle fissure indique la profondeur à laquelle elle prend naissance? plus l'inflation est large, plus la digue est profonde.
La surveillance volcanique InSAR a d'abord été établie à l'aide de données ERS, produisant des interférogrammes montrant que l'Etna très actif de l'Italie semble «respirer» entre les éruptions. Et des relevés interférographiques de volcans apparemment éteints le long de régions éloignées des Andes ont montré un mouvement du sol indiquant que certains sont en fait toujours actifs.
«Il existe de nombreuses pistes de recherche intéressantes utilisant cette technique, y compris la question de savoir s'il est possible de prédire quand un volcan va éclater, et - avec des failles sismiques se produisant souvent près des volcans - la question de savoir si l'activité sismique et les éruptions volcaniques sont liés », a ajouté Briole.
«Pour l'instant, notre équipe souhaite caractériser le Piton de la Fournaise aussi précisément que possible, pour perfectionner des techniques que nous pourrons appliquer ultérieurement à des volcans ailleurs et si possible augmenter le nombre d'acquisitions afin de démontrer que la surveillance InSAR des volcans a un potentiel opérationnel , fournissant une alerte rapide aux autorités de protection civile. »
Source d'origine: communiqué de presse de l'ESA
