Am 29. September 2009 ereignete sich ein Erdbeben der Stärke 8,1 in der Nähe von Amerikanisch-Samoa, Samoa und Tonga und löste einen Tsunami aus, der auf den Inseln Menschenleben forderte und Sachschäden in Höhe von 200 Millionen US-Dollar verursachte. Das Erdbeben verschärfte auch ein weiteres Problem in Amerikanisch-Samoa: das Absinken von Land. In Kombination mit dem relativen Anstieg des Meeresspiegels kann die Landsenkung die Häufigkeit und das Ausmaß von Küstenüberschwemmungen erhöhen.
Der Schutz vor Überschwemmungen auf Inseln erfordert zuverlässige Messungen darüber, wie stark und wo der Boden absinkt, sagte Jeanne Sauber, Geophysikerin am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland. „Man muss im Detail wissen, wo das Land am schnellsten sinkt“, sagte sie. Sauber und mehrere NASA-Kollegen kombinieren Fernerkundungsinstrumente, um das herauszufinden.
Historisch gesehen waren Setzungsmessungen auf kleinen tropischen Inseln aus zwei Gründen schwierig durchzuführen. Inseln haben oft nur wenige Ressourcen, um detaillierte Messungen an der Landoberfläche zu erhalten, und dichte Mittagswolken und Vegetation können es schwierig machen, gute Satellitendaten zu erhalten.
Am Beispiel der Insel Tutuila in Amerikanisch-Samoa veröffentlichte ein Team von NASA-Wissenschaftlern letztes Jahr eine Veröffentlichung eine Studie darüber, wie Bodenveränderungen auf erdbebengefährdeten Inseln besser kartiert werden können. Sie fanden heraus, dass die Verwendung einer Kombination aus Satelliten- und bodengestützten Beobachtungen zu einer differenzierteren und umfassenderen Karte führen könnte.
In der Vergangenheit hatten Wissenschaftler Daten von zwei Messpunkten auf Tutuila genutzt: einer GPS-Station und dem einzigen Gezeitenmesser der Insel. Sie koppelten diese Punkte typischerweise mit Satellitenaltimetrie, die es Wissenschaftlern ermöglicht, die Oberflächenhöhe des Ozeans umfassend zu überwachen. Diese Daten lieferten jedoch nur ein begrenztes Bild.
In der Studie fügten die Forscher InSAR (interferometrisches Radar mit synthetischer Apertur) hinzu, das es ihnen ermöglichte, zu sehen, wo sich der Boden verändert. InSAR ist eine Technik, bei der Satellitenradarbilder desselben Gebiets, die zu unterschiedlichen Zeiten aufgenommen wurden, verglichen werden, um Bewegungen auf der Erdoberfläche zu erkennen und Änderungen der Bodenhöhe zu verfolgen.
Die Studie ergab, dass Tutuila zwischen 2015 und 2022 durchschnittlich 0,24 bis 0,35 Zoll (6 bis 9 Millimeter) pro Jahr sank, verglichen mit 0,04 bis 0,08 Zoll (1 bis 2 Millimeter) pro Jahr vor dem Erdbeben von 2009. Die höchsten Sinkraten ereigneten sich unmittelbar nach dem Erdbeben, insbesondere entlang der Küsten.
„Wir wussten aufgrund der dortigen GPS-Station, wie stark sich der Boden an diesem einen Punkt verformt, aber mit der Radarfernerkundungstechnik können wir eine viel dichtere Karte davon erhalten, was auf der ganzen Insel vor sich geht“, sagte Stacey Huang, eine Mitarbeiterin mit dem Postdoktorandenprogramm der NASA bei NASA Goddard und dem Hauptautor der Studie.
Eine bessere Karte erstellen
Radardaten mit synthetischer Apertur werden von Flugzeugen oder Satelliten erfasst. Es funktioniert, indem es Mikrowellenimpulse vom Satelliten zur Erdoberfläche sendet und dann die Zeit misst, die die Impulse brauchen, um zurückzuprallen, sowie die Stärke dieser Reflexion oder „Rückstreuung“. Im Gegensatz zu vielen Satelliteninstrumenten kann diese Art von Radar Wolken und dichte Vegetation durchdringen und ermöglicht es Forschern, die relative Höhe und Veränderungen der Landoberfläche genau zu messen. Die Studie von Huang und Sauber nutzte Daten des Satelliten Copernicus Sentinel-1A der ESA (Europäische Weltraumorganisation).
Die Forscher verwendeten auch Satellitenhöhenmesserdaten, um den Meeresspiegel zu bestimmen und ihn mit Messungen der Gezeitenmessstation Pago Pago der Insel zu korrelieren. Der Pegel misst den Meeresspiegel relativ zu Tutuila, während der Höhenmesser den absoluten Meeresspiegel misst. Der Unterschied zwischen ihnen zeigt neben anderen Signalen Tutuilas Landbewegung oder Bewegung relativ zum Erdmittelpunkt.
Eine der Herausforderungen bei der Bewertung der Landsenkung auf abgelegenen Inseln besteht darin, zu verstehen, wie die Inselbewegungen durch die breitere Bewegung tektonischer Platten beeinflusst werden können. Durch die Einbeziehung von Messungen der GPS-Station von Tutuila konnten die Forscher die Geschwindigkeit der vertikalen Bewegung überwachen.
„Wir können also nicht nur sagen, was ein Punkt im Vergleich zu einem anderen auf einer Insel macht, sondern wir können auch sagen, was diese Insel im Vergleich zu anderen Orten auf der Welt macht“, sagte Sauber, einer der Mitautoren der Studie.
Warum das Land sinkt
Landsenkungen in diesem Teil des westlichen Pazifischen Ozeans resultieren aus der Bewegung der pazifischen und australischen tektonischen Platten. Wenn eine Platte unter der anderen hindurchgeht, kommt es entlang des Tonga-Grabens, einer tiefen Schlucht im Pazifischen Ozean, zu einem Phänomen namens Subduktion. Aus diesem Prozess resultieren häufig Erdbeben, die zu vertikalen Bewegungen der Inseloberfläche und zu Veränderungen der Bodenoberfläche führen.
Um zu verstehen, wie stark sich das Land nach jedem Erdbeben verändert hat, messen Wissenschaftler die sogenannte vertikale Landbewegung – die Auf- und Abbewegung des Landes durch die Entfernung und Neuordnung von Materialien im Erduntergrund.
„Über Hunderttausende von Jahren oder sogar Millionen von Jahren neigen diese Vulkaninseln dazu, zu sinken, wenn sie abkühlen“, sagte Eric Fielding, ein Geophysiker vom Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien. „Dieser langfristige geologische Prozess gilt auch für die Samoa-Inseln, und der Erdbebenzyklus trägt dazu bei.“
Der Anstieg des Meeresspiegels verschärft das Problem, sagte Richard Ray, der dritte Autor der Studie und Geophysiker bei NASA Goddard. In Tutuila beispielsweise steigt der relative Meeresspiegel laut einer früheren Studie unter Beteiligung von Ray und Sauber um das Fünffache des globalen Durchschnitts.
Laut einer NASA-Analyse von Satellitendaten ist der durchschnittliche globale Meeresspiegel von 2021 bis 2022 um 0,11 Zoll (2,7 Millimeter) gestiegen. In dieser Studie aus dem Jahr 2019 stellten Wissenschaftler fest, dass der Meeresspiegelanstieg in der Region im Vergleich zum Land vor dem Erdbeben 0,04 bis 0,08 Zoll (2 bis 3 Millimeter) pro Jahr betrug, aber jetzt ist der relative Meeresspiegelanstieg um ein Vielfaches höher als der globale Durchschnitt.
„Drei Millimeter klingen vielleicht nicht viel, aber mit der Zeit machen sie einen Unterschied“, sagte Ray.
Viele Inseln auf der ganzen Welt sind mit einem Anstieg des Meeresspiegels konfrontiert und weisen ähnliche Merkmale wie Tutuila auf. Die Forscher hoffen, das, was sie von Tutuila gelernt haben, auf andere Inseln für die Planung der Küstenresilienz anwenden zu können gemeinsame Anstrengungen zwischen der NASA und den Vereinten Nationen, um Entscheidungen in allen pazifischen Inselstaaten zu treffen.
NISAR – kurz für NASA-ISRO Synthetic Aperture Radar – soll Anfang 2024 starten und gemeinsam von der NASA und der ISRO (Indian Space Research Organization) entwickelt werden Verfolgen Sie vertikale Landbewegungen auf der ganzen Welt.
Eine Planung der Küstenresilienz ist notwendig, um die Menschen zu schützen, die auf kleineren Inseln leben, und erfordert zuverlässige Daten.
„Wir müssen wirklich wissen, wie schnell das Land sinkt, damit politische Entscheidungen auf wissenschaftlichen Daten basieren können“, sagte Sauber. „Man möchte die Menschen nicht aus ihren Häusern vertreiben, es sei denn, sie geraten wirklich in eine schlimme Situation.“