2009 年發(fā)生的 8.1 級地震加劇了美屬薩摩亞的土地沉降。NASA 科學(xué)家引入了 InSAR 技術(shù)，揭示了地震后沉降率的增加。這項研究強調(diào)，全球沿海復(fù)原規(guī)劃需要準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。2009 年 9 月 29 日，美屬薩摩亞、薩摩亞和湯加附近發(fā)生 8.1 級地震，引發(fā)的海嘯造成人員傷亡和 2 億美元的財產(chǎn)損失。地震還加劇了美屬薩摩亞的另一個問題：沉降，即土地下沉。當(dāng)海平面相對上升時，土地下沉?xí)黾友睾：樗念l率和數(shù)量。

(相關(guān)資料圖)

美屬薩摩亞圖圖伊拉島的大地遙感衛(wèi)星圖像，2022 年 7 月 22 日由大地遙感衛(wèi)星 8 號上的陸地成像儀 (OLI) 拍攝。 圖源：NASA 地球觀測站/Lauren Dauphin

測量沉降的挑戰(zhàn)

位于馬里蘭州格林貝爾特的美國宇航局戈達(dá)德太空飛行中心的地球物理學(xué)家讓娜-索伯（Jeanne Sauber）說，在島嶼上防止洪水需要對地面下沉的程度和位置進(jìn)行可靠的測量。她說："需要詳細(xì)了解哪里的土地下沉得最快。"為此，索伯和幾位美國國家航空航天局的同事正在結(jié)合遙感工具找出答案。

從歷史上看，在熱帶小島上進(jìn)行沉降測量一直很困難，原因有兩個。島嶼往往沒有什么資源來獲取陸地表面的詳細(xì)測量數(shù)據(jù)，而且正午濃密的云層和植被會使良好的衛(wèi)星數(shù)據(jù)難以獲得。

以美屬薩摩亞的圖圖伊拉島為例，美國國家航空航天局的一個科學(xué)家小組去年發(fā)表了一項研究，探討如何更好地繪制地震多發(fā)島嶼的地面變化圖。他們發(fā)現(xiàn)，將衛(wèi)星觀測和地面觀測相結(jié)合，可以繪制出更細(xì)致、更全面的地圖。

過去，科學(xué)家們使用圖圖伊拉島上兩個測量點的數(shù)據(jù)：一個全球定位系統(tǒng)站和島上的一個驗潮儀。他們通常將這些測量點與衛(wèi)星測高儀結(jié)合起來，這樣科學(xué)家們就可以廣泛地監(jiān)測海洋表面的高度。然而，這些數(shù)據(jù)只能提供有限的信息。

主要發(fā)現(xiàn)

在這項研究中，研究人員增加了 InSAR（即干涉合成孔徑雷達(dá)），這使他們能夠看到地面變化的位置。干涉合成孔徑雷達(dá)是一種通過比較在不同時間收集到的同一地區(qū)的衛(wèi)星雷達(dá)圖像來發(fā)現(xiàn)地球表面運動并跟蹤地面高度變化的技術(shù)。

研究發(fā)現(xiàn)，2015 年至 2022 年間，圖圖伊拉島平均每年下沉 0.24 至 0.35 英寸（6 至 9 毫米），而 2009 年地震前每年下沉 0.04 至 0.08 英寸（1 至 2 毫米）。地震發(fā)生后，尤其是海岸線一帶的下沉速度最快。

美國國家航空航天局戈達(dá)德分局博士后項目研究員、該研究的第一作者 Stacey Huang 說："我們知道這一點上的地面變形程度，因為那里有 GPS 站，但有了雷達(dá)遙感技術(shù)，我們就能獲得更密集的全島情況圖。"

繪制更好的地圖

合成孔徑雷達(dá)數(shù)據(jù)由飛機或衛(wèi)星收集。它的工作原理是從衛(wèi)星向地球表面發(fā)射微波脈沖，然后測量脈沖反彈回來的時間和反射的強度，即"反向散射"。與許多衛(wèi)星儀器不同，這種雷達(dá)可以穿透云層和茂密的植被，使研究人員能夠準(zhǔn)確測量相對高度和地表的變化。Huang和Sauber的研究使用了歐洲航天局（ESA）哥白尼哨兵-1A衛(wèi)星的數(shù)據(jù)。

研究人員還利用衛(wèi)星測高儀數(shù)據(jù)評估海平面，并將其與島上帕果帕果驗潮站的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。驗潮儀測量的是相對于圖圖伊拉島的海平面，而測高儀測量的是絕對海平面。兩者之間的差值顯示了圖圖伊拉島相對于地球中心的陸地運動或移動。

評估偏遠(yuǎn)島嶼陸地沉降的挑戰(zhàn)之一是了解島嶼運動如何可能受到更廣泛的構(gòu)造板塊運動的影響。通過加入圖圖伊拉島 GPS 站的測量數(shù)據(jù)，研究人員可以監(jiān)測垂直運動的速度。

這項研究的合著者紹伯說："因此，我們不僅可以說島嶼上的一個點相對于另一個點在做什么，我們還可以說這個島嶼相對于世界其他地方在做什么。"

土地下沉的原因

西太平洋這一地區(qū)的陸地下沉是太平洋板塊和澳大利亞板塊運動的結(jié)果。當(dāng)一個板塊從另一個板塊下面穿過時，太平洋的一個深峽谷湯加海溝（Tonga Trench）沿線就會發(fā)生一種叫做俯沖的現(xiàn)象。這一過程經(jīng)常引發(fā)地震，造成島嶼表面的垂直運動和地表變化。

為了了解每次地震后陸地發(fā)生了多大變化，科學(xué)家們測量了一種叫做陸地垂直運動的東西--地球地下物質(zhì)的移除和重新排列引起的陸地上下運動。

南加州美國宇航局噴氣推進(jìn)實驗室的地球物理學(xué)家埃里克-菲爾?。‥ric Fielding）說："在數(shù)十萬年甚至數(shù)百萬年的時間里，這些火山島往往會隨著冷卻而下沉。這一長期地質(zhì)過程適用于薩摩亞群島，而地震周期又加劇了這一過程。"

研究報告的第三作者、美國宇航局戈達(dá)德分部的地球物理學(xué)家理查德-雷（Richard Ray）說，海平面上升使問題更加復(fù)雜。以圖圖伊拉為例，根據(jù)雷和索伯等人之前的一項研究，相對海平面的上升幅度是全球平均水平的五倍之多。根據(jù)美國宇航局對衛(wèi)星數(shù)據(jù)的分析，從 2021 年到 2022 年，全球平均海平面上升了 0.11 英寸（2.7 毫米）。在 2019 年的那項研究中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，地震前該地區(qū)相對于陸地的海平面上升幅度為每年 0.04 到 0.08 英寸（2 到 3 毫米），而現(xiàn)在，相對海平面上升幅度是全球平均水平的數(shù)倍。

雷說："3毫米聽起來并不多，但隨著時間的推移，它會產(chǎn)生很大的影響。"

全球影響和未來計劃

世界上許多島嶼都面臨著海平面上升的問題，這些島嶼與圖圖伊拉島有著相似的特征。研究人員希望將從圖圖伊拉島學(xué)到的知識應(yīng)用到其他島嶼的海岸復(fù)原規(guī)劃中，包括美國國家航空航天局（NASA）和聯(lián)合國之間的合作，為太平洋島國的決策提供信息。

NISAR是NASA-ISRO合成孔徑雷達(dá)的簡稱，由NASA和印度空間研究組織（ISRO）聯(lián)合開發(fā)，將于2024年初發(fā)射，它將以極其精細(xì)的細(xì)節(jié)跟蹤地球陸地和冰面的運動，并將幫助識別和跟蹤世界各地的陸地垂直運動。

要保護(hù)生活在較小島嶼上的人們，就必須進(jìn)行海岸復(fù)原規(guī)劃，而這需要可靠的數(shù)據(jù)。

"我們需要知道陸地下沉的速度，這樣才能根據(jù)科學(xué)數(shù)據(jù)做出決策，"索伯說。"你不會想讓人們離開自己的家園，除非他們真的會陷入絕境"。

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