INGV, I TERREMOTI STUDIATI DAI SATELLITI: L’INTERFEROMETRIA SAR

CONDIVIDI

Sono più di venti anni che i satelliti per l’Osservazione della Terra ci permettono di studiare i terremoti. In particolare, i satelliti che equipaggiano un particolare sensore RADAR, il SAR, sono ormai utilizzati sistematicamente per misurare gli effetti che un terremoto produce sulla superficie terrestre, misurando con elevata precisione le deformazioni crostali indotte dal terremoto stesso.

Un RADAR (RAdio Detection And Ranging) è un sensore attivo, ovvero dotato di una propria sorgente di segnali elettromagnetici, nella banda di frequenza delle onde radio, che invia impulsi di onde equi-spaziati tra loro in base ad una frequenza di ripetizione o PRF (Pulse Repetition Frequency). Gli impulsi giungono dallo spazio sulla superficie terrestre e l’eco che da essa torna verso il sensore viene registrato, fornendo informazioni puntuali circa la distanza tra l’oggetto (o target) sulla superficie colpito dall’impulso elettromagnetico e le sue caratteristiche di retro diffusione del segnale stesso.

I RADAR che vengono usati per l’osservazione della Terra e lo studio dei terremoti (ma anche delle eruzioni vulcaniche) sono i Synthetic Aperture Radar (SAR), in italiano Radar ad Apertura Sintetica.

Il SAR è un RADAR che, posto su una piattaforma satellitare in movimento, sfrutta il percorso compiuto dal satellite lungo la sua orbita per simulare una antenna “sintetica” più grande, e di molto, rispetto a quella reale che permette di ottenere informazioni più dettagliate sul target rispetto ad un RADAR classico, sotto forma di immagine.

Esempio di immagine SAR acquista in Egitto nel sito archeologico delle piramidi (Dati del satellite TerraSAR-X dell’Agenzia Spaziale Tedesca). I pixel dell’immagine, in bianco e nero, riportano informazioni sull’energia retrodiffusa dall’impulso RADAR e sulla distanza tra target a terra e sensore SAR a bordo del satellite.

Trattandosi di un RADAR, il SAR può operare praticamente in qualsiasi condizione meteorologica, sia di giorno che di notte. Esistono numerose applicazioni che sfruttano le immagini SAR. Tra esse ha assunto un ruolo di grande rilievo lo studio dei movimenti del suolo. Per raggiungere tale scopo si applica al dato SAR una particolare tecnica di elaborazione del segnale denominata Interferometria SAR, o InSAR.

L’InSAR è stata sviluppata intorno alla fine degli anni ’80 e si basa sul principio che, se disponiamo di due immagini SAR di una stessa scena acquisite da due punti di osservazione leggermente diversi, è possibile estrarre l’informazione circa la distanza che ciascun punto (il pixel delle immagini) al suolo ha rispetto al SAR. In pratica possiamo dire che la tecnica InSAR consente di misurare le differenze di distanza, pixel per pixel, tra due immagini SAR, e di fornire l’immagine delle variazioni avvenute tra la prima e la seconda immagine SAR nell’area “fotografata”.

L’immagine che risulta dall’applicazione della tecnica InSAR è detta interferogramma. Questo comporta che se tra la prima e la seconda immagine alcuni pixel si sono spostati, ad esempio a causa di un terremoto, l’interferogramma evidenzierà le aree che hanno subito tali modifiche e ne misurerà l’entità.

La prima volta che venne usata l’interferometria SAR per lo studio di un terremoto fu nel 1992. Fu il caso del terremoto di Landers, California (USA), che generò una energia che i sismologi quantificarono con una magnitudo momento 7.2. Gli esperti misurarono spostamenti in superficie superiori anche a 5 metri. E per decine di chilometri intorno all’epicentro del sisma la superficie terrestre presentava numerose fratture e scarpate prodotte dal sisma. L’estensione dell’area interessata dalle deformazioni non poteva consentire di avere un quadro sinottico degli effetti del sisma semplicemente attraverso osservazioni in situ degli effetti. Landers fu il primo esempio di utilizzo dell’InSAR che fornì un’immagine completa e dettagliata di ciò che il sisma aveva prodotto (vedi figura sotto).

Su un’area di circa 100 km x 100 km, il satellite europeo ERS-1 misurò spostamenti del suolo variabili tra circa 3 cm fino a svariati metri. In un interferogramma le deformazioni prodotte dal sisma, dette deformazioni “cosismiche”, sono evidenziate con una serie di “linee di eguale spostamento” denominate in gergo “frange” (in inglese fringes). Immagine da Massonnet, D. et al., 1993.

Vennero usate una coppia di immagini SAR acquisite dal satellite europeo ERS-1 (European Remote Sensing satellite 1), il primo satellite per lo studio della Terra equipaggiato con un sensore SAR. Era stato lanciato nel 1991 dall’Agenzia Spaziale Europea (ESA).  Ad esso fece seguito nel 1995 il gemello ERS-2. ERS-1 ed ERS-2 aprirono la strada ad una serie di missioni satellitari dedicate allo studio del nostro pianeta con i sensori SAR, lanciati dalle agenzie spaziali di tutto il mondo.

Negli anni seguenti, a questo primo successo fecero seguito altre applicazioni. Tra esse possiamo ricordare il primo esempio di utilizzo della tecnica InSAR in Italia, quando il 26 settembre 1997 due forti terremoti (la prima alle ore 00:33 di magnitudo Mw 5.8 e la seconda alle ore 09:40 di magnitudo Mw 6.0) colpirono l’area al confine tra Umbria e Marche. I ricercatori italiani dell’INGV applicarono la tecnica InSAR ad una coppia di immagini ERS-2 acquisite prima e dopo il 26 settembre, ottenendo l’interferogramma che misurò i movimenti in superficie che si estendevano per decine di chilometri dall’epicentro del terremoto e che raggiungevano un massimo di 25 cm.

Anche i recenti terremoti che hanno interessato l’Italia centrale ad Amatrice e Norcia, a partire da agosto 2016, sono stati studiati con l’InSAR, sfruttando i dati acquisiti da più moderni SAR, molto più performanti in termini di accuratezza di misura e dettaglio spaziale, come quello a bordo della missione COMSO-SkyMed (https://www.asi.it/it/attivita/osservare-la-terra/osservazione-della-terra/cosmo-skymed) dell’Agenzia Spaziale Italiana, della missione ALOS-2 (https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/a/alos-2) della Giapponese JAXA e della innovativa piattaforma Sentinel-1 (https://sentinel.esa.int/web/sentinel/missions/sentinel-1) dell’ESA.

La mappa delle deformazioni co-sismiche superficiali causate dai due eventi di Amatrice-Accumoli e Norcia (magnitudo momento 6.0 e 5.3, rispettivamente), avvenuti, a distanza di circa un’ora, nella notte del 24 agosto 2016, ottenuta con i dati SAR del satellite Sentinel-1 dell’Agenzia Spaziale Europea. Lo spostamento del suolo ha raggiunto valori massimi di circa 20 cm, approssimativamente in abbassamento.

Sono moltissimi i lavori presenti in letteratura scientifica che documentano le grandi potenzialità dell’InSAR, e sempre più numerose sono le applicazioni che ne mostrano l’utilità in casi pratici di impiego. Possiamo quindi affermare senza dubbio che l’InSAR ha assunto un ruolo di assoluto rilievo tra le tecniche di studio utilizzate nelle Scienze della Terra.

A cura di Christian Bignami (INGV – Osservatorio Nazionale Terremoti).

Referenze

Massonnet, D., Rossi, M., Carmona, C., Adragna, F., Peltzer, G., Feigl, K., Rabaute, T., 1993. The displacement field of the Landers earthquake mapped by radar interferometry. Nature 364, 138–142. https://doi.org/10.1038/364138a0

Fonte: ingvterremoti.wordpress.com