Was können uns verborgene Bewegungen im Untergrund über Erdbeben, Eruptionen und sogar den Klimawandel verraten? NASA-Wissenschaftler verwenden Daten, die 400 Meilen über der Erde gesammelt wurden, um dies herauszufinden.
Kriechen, steigen, fallen, rutschen – einige Teile der Erde sind in ständiger Bewegung. Die Bewegungen sind normalerweise zu klein, um von den menschlichen Sinnen bemerkt zu werden, aber sie geben Hinweise auf bedeutendere Veränderungen, die innerhalb von Vulkanen, entlang von Verwerfungslinien und dort stattfinden, wo tektonische Platten aufeinandertreffen und aufeinanderprallen. Aus diesem Grund verwenden Wissenschaftler des Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien fortschrittliche Tools und kreative Datenanalysen, um die sich bewegenden Oberflächen der Erde zu finden und zu überwachen. Hier sind ein paar Dinge, die sie in letzter Zeit gelernt haben.
Berge bewegen
Früher mussten Geologen immer wieder ins Feld gehen, um Daten über die Bewegungen der Erde zu sammeln, indem sie Technologien wie GPS verwendeten und jede neue Messung auf topografischen Karten einzeichneten. In den 1990er Jahren entwickelten Wissenschaftler am JPL und anderswo eine neue Datenverarbeitungstechnik, die es ihnen ermöglichte, extrem genaue Bilder mit einem Radar zu erhalten, das klein genug war, um in einem Flugzeug oder Satelliten montiert zu werden.
Als sich diese neuen Daten zu häufen begannen, „war es, als würden Karten zum Leben erweckt“, sagte Paul Lundgren, Leiter der JPL-Gruppe „Erdoberfläche und Inneres“. In einigen Fällen, sagte er, „könnte man fast intuitiv verstehen, welche Art von Mechanismus einen Vulkanausbruch verursacht hat.“
Weltraumagenturen weltweit begannen mit dem Start von Satelliteninstrumenten unter Verwendung der neuen Technologie – die als interferometrisches Radar mit synthetischer Apertur oder InSAR bezeichnet wird – und Entdeckungen aus dieser neuen Sichtweise des Planeten waren unvermeidlich. Einer ereignete sich im Jahr 2018, als die chilenischen Behörden Lundgrens Gruppe baten, zu beurteilen, ob ein Vulkan namens Nevados de Chillán kurz vor dem Ausbruch stehen könnte. Lundgren untersuchte die InSAR-Bilder eines Jahres und sah keine Veränderungen am chilenischen Gipfel. Aber er bemerkte, dass sich ein weiterer argentinischer Vulkan namens Domuyo schnell aufblähte – ein Zeichen für einen möglichen Ausbruch.
Lundgren und Társilo Girona (damals Postdoktorand am JPL, jetzt an der University of Alaska, Fairbanks) haben frühere Daten überprüft und festgestellt, dass Domuyo zwischen 2008 und 2011 tatsächlich deflationiert war. Mitte 2014 begann es sich aufzublähen und stieg um etwa 20 Zoll (50 Zentimeter), als Lundgren es entdeckte. Domuyo erreichte 2020 seinen Höhepunkt und deflationiert nun wieder, ohne ausgebrochen zu sein.
Nach einer zusätzlichen Analyse der Landoberflächentemperaturdaten von Satelliteninstrumenten des Moderate Resolution Imaging Spectrometer der NASA kamen Lundgren und Girona zu dem Schluss, dass während aufsteigendes Magma Domuyo aufblasen lässt, Gase aus dem Magma durch das Gestein entweichen können, wodurch der Druck im Inneren des Berges verringert wird. Das austretende Gas erzeugt gelegentlich eine kleine Explosion an den Hängen, aber der Vulkan entleert sich schließlich, ohne dass sich Druck zu einer großen Explosion aufbaut.
„Domuyo ist in den letzten 100.000 Jahren nicht ausgebrochen, also ist dieses Verhalten wahrscheinlich schon immer aufgetreten“, sagte Lundgren. „Trotzdem müssen wir es weiter beobachten.“
Die Wissenschaftler durchsuchen InSAR-Satellitendaten nach anderen Vulkanen auf der ganzen Welt, die episodisch aufsteigen und abfallen. „Es könnte ein Verhalten geben, mit dem man – wenn man es verstehen könnte – vorhersagen könnte, wann etwas ausbrechen wird“, sagte Lundgren.
Klebrige Fehler
Erdbeben treten an Orten auf, an denen zwei Seiten einer Verwerfungslinie zusammengeklebt oder verriegelt sind. Während sich die tektonischen Platten unterhalb der Verwerfung weiter bewegen, baut sich Spannung auf dem gesperrten Bereich auf, bis die Verwerfung auseinander reißt.
Es werden jedoch nicht alle Fehler gesperrt. Nehmen Sie die Hayward-Verwerfung, die als eine der zwei gefährlichsten Verwerfungen in Kalifornien gilt. Die Verwerfung verläuft 75 Meilen (120 Kilometer) entlang der Ostseite der Bucht von San Francisco unter dicht besiedeltem Land und hat nun ihren Durchschnitt von 150 Jahren zwischen den Erdbeben überschritten.
„Die Hayward-Verwerfung ist ungewöhnlich“, sagte JPL-Wissenschaftler Eric Fielding. „Teile der Verwerfung rutschen kontinuierlich, eine Bewegung, die wir Verwerfungskriechen nennen.“ Es ist weniger wahrscheinlich, dass kriechende Verwerfungen große Erdbeben erzeugen, da die Bewegung einen Großteil der Belastung abbaut. Mit Daten, die seit 2009 von Dutzenden von InSAR-Flügen der NASA in der Luft gesammelt wurden, kartieren Fielding und Kollegen, wo die Hayward-Verwerfung kriecht, um besser zu verstehen, wie viel davon beim nächsten großen Erdbeben wahrscheinlich abrutschen wird. Solche Informationen könnten den Planern helfen, sich besser vorzubereiten.
Zhen Liu vom JPL verwendet InSAR-Daten, GPS-Messungen und numerische Modelle, um eine andere Art von Bewegung im erdbebengefährdeten pazifischen Nordwesten zu untersuchen, wo die tektonische Platte von Juan de Fuca vor der Küste unter die nordamerikanische Platte taucht. Die kleine Juan-de-Fuca-Platte erfasst das Land darüber und zieht die Küstenlinie für etwa 14 Monate am Stück nach Osten. Irgendwann wird der Stress zu groß und für zwei Wochen rutscht das Land langsam nach Westen zurück.
Regelmäßig wiederkehrende Slow-Slip-Ereignisse wie dieses wurden auch in Neuseeland und anderswo beobachtet. Wenn sich diese Muster ändern, bemerkte Liu, „gibt es zunehmend Hinweise darauf, dass Slow-Slip-Ereignisse Vorboten großer Erdbeben sein können“. In einer aktuellen Studie mit Yingdi Luo von Caltech schlug Liu vor, dass sich der 14-Monats-Zyklus im Nordwesten vor dem nächsten großen Erdbeben beschleunigen könnte.
Fielding und Liu freuen sich auf den Start der NASA-Indian Space Research Organization Synthetic Aperture Radar (NISAR)-Mission im Jahr 2024, die eine Fülle neuer InSAR-Daten liefern wird. NISAR wird jeden Ort auf der Erde alle 12 Tage beobachten – eine bessere Abdeckung als bestehende Satelliten –, was die Chancen erhöht, ungewöhnliche Landbewegungen zu erkennen und die Frühwarnfähigkeiten zu verbessern.
Kanadischer Aufstieg
Die Reduzierung von Risiken durch Naturgefahren ist nicht das einzige Motiv für die Untersuchung der Bewegung der Erdoberfläche. Wissenschaftler wollen auch verstehen, wie natürliche Prozesse mit dem vom Menschen verursachten Klimawandel interagieren.
Ein Beispiel dafür ist, wie das Biegen und Begradigen der nordamerikanischen tektonischen Platte den Meeresspiegel von Florida bis zur Arktis beeinflusst. Während der letzten Eiszeit sammelten sich mehrere Kilometer dicke Eisplatten auf der nördlichen Hälfte der nordamerikanischen tektonischen Platte und drückten sie in den darunter liegenden Mantel (30 bis 50 Meilen oder 50 bis 80 Kilometer tief). Die Oberfläche des modernen Kanadas sank, als Mantelmaterial unter dem zusätzlichen Gewicht herausfloss, und ein Großteil der modernen Vereinigten Staaten stieg, als dieses verdrängte Material hereinfloss.
Obwohl es 8.000 Jahre her ist, seit die Eisschilde geschmolzen sind, erholt sich der Mantel unter Nordamerika immer noch von dem Druck. Zurückkehrendes Mantelmaterial hat die kanadische Landmasse höher über den Ozean gehoben – hoch genug, um den Anstieg des globalen Meeresspiegels zu übertreffen. Aber der Strom des Mantelmaterials nach Norden hat dazu geführt, dass die Ost- und Südküste der USA absinken, was die Risiken des Anstiegs des Meeresspiegels verstärkt, der mit dem globalen Klimawandel einhergeht.
Um den Verlauf des zukünftigen Meeresspiegelanstiegs zu verstehen, müssen wir mehr über diesen natürlichen Prozess wissen. Wie lange wird es weitergehen? Wie viel weiter bewegt sich der zurückprallende Mantel? Wissenschaftler entwickeln Computermodelle von Prozessen auf der festen Erde, um bei der Beantwortung solcher Fragen zu helfen.
Vor kurzem hat der JPL-Wissenschaftler Donald Argus Daten von den NASA-German Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE)-Satelliten sowie von GPS- und Meeresspiegelmessungen verwendet, um mit der Bewertung der Klebrigkeit (Viskosität) des Mantels zu beginnen, die sich auf die Erholungsrate an der Oberfläche auswirkt . „Wir verlassen uns auf GRACE, um den Schnee- und Eisverlust zu schätzen und den Anstieg des Meeresspiegels zu verstehen, aber Sie müssen das Modell richtig hinbekommen“, sagte Argus.