Hvordan fjerntliggende målinger kan forbedre forståelsen av geofarer og naturressurser

Fjernmåling har utviklet seg enormt de siste to tiårene og har åpnet opp for helt nye anvendelser på tvers av fagområder. I motsetning til mange lærebøker som fokuserer på én teknikk eller disiplin, er det nå et voksende behov for tverrfaglige tilnærminger. Dette bidrar til å utfordre grensene for tradisjonell forskning og åpner for nye innsikter som kan føre til betydelige fremskritt. Et av de mest interessante områdene der fjernmåling gjør stor forskjell, er forståelsen av geofarer og forvaltning av naturressurser.

Gjennom fjernmåling kan vi samle omfattende data om jordens overflate, atmosfære, hav og geofysiske prosesser. Teknologiske fremskritt har gitt oss muligheten til å få detaljerte bilder av disse områdene, noe som gjør det mulig å analysere trender og hendelser som tidligere var vanskelige å forutsi. Men det som kanskje er enda viktigere, er hvordan vi kan bruke disse teknikkene på tvers av fagområder for å oppnå en mer helhetlig forståelse av miljøpåvirkninger og naturprosesser.

Når det gjelder geohazards, har fjernmåling blitt et viktig verktøy for å overvåke og forutsi hendelser som jordskjelv, vulkanutbrudd, jordskred og setningsprosesser. For eksempel kan atmosfærisk signalstøy, som tidligere ble betraktet som forstyrrelser i geodetiske målinger, nå brukes til å forstå tsunamiers bølgebevegelser. På samme måte kan multipath-refleksjoner ved GPS-antennene, som før ble ansett som feilkilder, nå brukes til å vurdere jordens fuktighetsnivå eller snødybde.

Fjernmålingsteknikker har også gjort det mulig å spore interaksjoner mellom naturressurser og geohazards på en mer presis måte. Et bemerkelsesverdig eksempel på dette er hvordan hydraulisk frakturering, som brukes i naturgassutvinning, har påvirket jordskjelvaktiviteten i Oklahoma, som har vært mer seismisk aktiv enn California de siste tiårene. Avfallsdeponering knyttet til denne industrien har ført til økte seismiske hendelser, som har gitt forskere bedre forståelse av jordskjelvprosesser, spesielt de som er forårsaket av menneskelig aktivitet.

På samme måte viser studier av ressursutvinning og geofareprosesser hvordan man kan bruke fjernmåling for å bedre håndtere pågående stress på naturressurser og forberede seg på geohazards. Et eksempel på dette er studiene som ble gjort på virkningen av tørken i California fra 2012 til 2015, og hvordan forskjellige geologiske underlag reagerte på endringer i vannstanden. Mens den mykere sedimenten i Central Valley komprimerte seg på grunn av redusert vanntrykk fra overdrevet grunnvannspumping, førte den reduserte vannmengden i Sierra Nevada-fjellene til heving av fjellene.

Denne tverrfaglige innsikten har ikke bare forbedret forståelsen av hvordan geofarer oppstår, men har også ført til nye metoder for å overvåke og forvalte naturressurser, spesielt vannressurser. For eksempel kan data om grunndeformasjon brukes til å vurdere vannbalansen i akvifersystemer, og endringer i geologiske forhold kan påvirke alt fra jordskjelv til vannforsyning.

Hvordan kan undervanns-skred kartlegges og forstås med moderne fjernmålingsteknikker?

Undervanns-skred representerer noen av de største naturhendelsene på jorden, med volum som kan måles i tusenvis av kubikkilometer og utbredelser på titusenvis av kvadratkilometer. Eksempler som Storegga-skredet på den norske kontinentalsokkelen og Nuʻuanu-raset ved Hawaii illustrerer omfanget og kraften disse prosessene kan ha. Slike hendelser kan også utløse tsunamier med katastrofale følger, der skredets volum, dynamikk og vannets dybde spiller sentrale roller for tsunamienes styrke og utbredelse.

Morfeologisk bærer undervanns-skred mange likhetstrekk med sine subaeriske motstykker, med tydelige kilder preget av avgrensede hodeskår og materiale som delvis evakueres, og deponiområder karakterisert av tykk, forstyrret avsetning og kompresjonsstrukturer. Skred kan være enten frontalt avgrenset eller frontalt åpne, hvor disse to tilstandene representerer ytterpunkter i et kontinuum av tyngdekraftsrelaterte skråningssviktprosesser. Klassifisering etter bevegelsestype, som translaterende skred, jordskred og rasmasser, benyttes også for undervanns-skred, men detaljert definisjon av disse overskrider rammene her.

En vedvarende utfordring innen studiet av undervanns-skred har vært mangel på standardisert morfometrisk karakterisering. Ulike brukere har benyttet forskjellige parametere og metoder, noe som har vanskeliggjort sammenligninger og generaliseringer. Clare et al. (2018) har derfor foreslått en konsistent global tilnærming til morfometrisk analyse av undervanns-skred, inkludert definisjon av parametere som skredets geometri i tverrsnitt og plan. Denne standardiseringen muliggjør mer sammenlignbare og robuste analyser på tvers av studier og geografiske områder.

Kartlegging og undersøkelse av undervanns-skred er i hovedsak avhengig av akustiske fjernmålingsteknikker. Elektromagnetiske bølger kan ikke trenge gjennom vann i relevant grad, noe som gjør lydsignaler til det eneste praktiske verktøyet for å avbilde havbunnen og undersjøiske formasjoner. Multistråle ekkolodd, sidescan sonar og sedimentekkosonder er blant de primære instrumentene for å kartlegge skred i nærheten av havbunnen, mens seismiske refleksjonsmålinger benyttes for å undersøke dypere, begravde skredstrukturer. Selv om disse metodene gir uvurderlig innsikt, er de ressurskrevende og gir i mange tilfeller lavere oppløsning og presisjon enn tilsvarende landbaserte undersøkelser.

Utover den tekniske kartleggingen er det viktig å forstå den brede geologiske og hydrodynamiske konteksten der undervanns-skred oppstår. Sedimentakkumulering, skråningsstabilitet, geokjemiske forhold, samt klimatiske og seismiske påvirkninger spiller alle sentrale roller i skredutvikling. En helhetlig tilnærming som inkluderer disse aspektene er nødvendig for å kunne forutsi risiko, planlegge tiltak og redusere potensielle katastrofale virkninger.

Endelig bør leseren ha i mente at undervanns-skred utgjør en vesentlig, men ofte undervurdert del av det globale naturfarebildet. Forståelsen av deres utbredelse, mekanismer og konsekvenser er fortsatt under utvikling, og nye metoder innen fjernmåling og in situ overvåking åpner for stadig bedre innsikt. Samtidig krever dette feltet et tverrfaglig samarbeid mellom geologer, oseanografer, ingeniører og risikoplanleggere for å omsette kunnskap til praktiske sikkerhetstiltak.

Hvordan overvåkningsteknologier kan forbedre forståelsen av CO2-lagring og lekkasjer

Bruken av avansert overvåkningsteknologi har blitt en viktig komponent i forskning og kontroll av CO2-lagring og potensielle lekkasjer fra karbonfangst og -lagring (CCS)-prosjekter. Hyperspektrale sensorer, som opererer i det synlige og nærinfrarøde spekteret (VNIR), gir muligheter til å oppdage og analysere spesifikke spektrale signaturer som er knyttet til helsetilstanden til vegetasjon og tilstedeværelsen av CO2 lekkasjer. Dette er spesielt relevant i konteksten av CCS-prosjekter, der presis overvåkning av gasslekkasjer er essensielt for å sikre sikkerhet og effektivitet.

Hyperspektrale sensorer, som oftest er montert på fly, helikoptre eller satellitter, gjør det mulig å skanne store landområder i passiv modus ved hjelp av naturlig lys. Når dette lyset treffer bakken, blir det reflektert og brutt ned av en linse og prismekomponenter før det registreres av en to-dimensjonal CCD-array. Denne teknologien gir et detaljert bilde av både romlige og spektrale egenskaper på bakkenivå, og gir verdifull informasjon om refleksjons- og absorpsjonsegenskapene til planter. Denne informasjonen kan brukes til å vurdere plantenes helse, som er sterkt påvirket av nivåene av CO2 i jorden.

Når CO2-konsentrasjonen i jorden øker, vil planter vise spesifikke spektrale signaturer som kan oppdages gjennom hyperspektral analyse. Disse signaturene er en direkte refleksjon av stress på vegetasjonen forårsaket av CO2-fluksene. Den mest grunnleggende måten å presentere hyperspektrale data på er ved hjelp av falske fargebilder, der anomalier som kan indikere en gasskilde kan oppdages. Dette kan videre forsterkes ved å bruke avanserte metoder for å beregne vegetasjonsindekser, som gir mer presise resultater når det gjelder å oppdage lekkasjer fra CO2-lagringsanlegg.

En av de mest brukte teknikkene for å analysere spektrale signaturer er klassifisering ved hjelp av algoritmer som SAM (Spectral Angle Mapper). SAM er en overvåket klassifiseringsmetode som tar i bruk spesifikke områder av interesse (ROI) som referansepunkter for klassifisering. Dette gjør det mulig å øke signal-til-støy-forholdet, og dermed forbedre nøyaktigheten i identifikasjonen av lekkasjer. Ved hjelp av slike metoder har man med suksess oppdaget CO2-lekkasjer, som i tilfellet med Latera caldera i Italia.

I tillegg til SAM, brukes andre klassifiseringsmetoder som geostatistisk bildefiltrering, som benytter seg av intrinsisk tilfeldig funksjon (IRF), uavhengig komponentanalyse (ICA), og Reed–Xiaoli (RX) anomaliklassifisering. Kombinasjonen av slike teknikker gir et mer robust rammeverk for å analysere og isolere anomalier som kan indikere CO2-lekkasjer.

En annen sentral teknologi i overvåkning av CO2-lagring er bruk av vegetasjonsindekser, særlig Normalized Difference Vegetation Index (NDVI). NDVI er en spektral transformasjon av to eller flere bånd som maksimerer følsomheten for vegetasjonens helse, samtidig som det reduserer forstyrrelser fra jordrefleksjon, atmosfæriske effekter og andre faktorer. Ved å overvåke NDVI i områder der CO2-nivåene er forhøyet, kan man oppdage stress på vegetasjonen som er forårsaket av økt gasskonsentrasjon i jorden.

NDVI beregnes ved hjelp av refleksjonsmålinger i både det røde og nærinfrarøde spekteret, og gir et indeksmål mellom -1 og 1. Negative verdier kan indikere vann tilstedeværelse i jorden, mens positive verdier indikerer vegetasjonens helse, med høyere verdier som indikerer tettere vegetasjon. Denne indeksen er spesielt nyttig i områder med lav vegetasjon, hvor endringer i vegetasjonens tilstand kan gi tidlige varsler om CO2-lekkasjer.

Det er også viktig å forstå at mens teknologien for overvåkning av CO2-lekkasjer er svært avansert, er det fortsatt utfordringer knyttet til nøyaktighet og datainnsamling. For eksempel kan atmosfæriske forhold, som tåke eller skyer, påvirke kvaliteten på dataene som samles inn fra hyperspektrale sensorer. Derfor er det viktig å kombinere forskjellige overvåkningsmetoder for å sikre en mer robust og pålitelig overvåkning av karbonlagring og lekkasjer. Dette inkluderer å integrere data fra satellittmålinger med bakkebaserte observasjoner for å få en helhetlig forståelse av situasjonen.

Hvordan fjernmåling kan forbedre overvåkingen av vulkaner og forutsi utbrudd

Fjernmåling har blitt et sentralt verktøy i overvåkningen av vulkaner, spesielt for de som ligger i avsidesliggende områder eller i regioner hvor bakkenettverk for overvåkning er enten utilstrekkelig eller fraværende. Flere studier har vist at satellittbaserte metoder for å oppdage aske og overvåke vulkanaktivitet kan være kompliserte på grunn av ulike faktorer, som for eksempel atmosfæriske forhold, strålingsforhold og satellittens spesifikasjoner (Pavolonis et al., 2006; Prata & Lynch, 2019; Poland et al., 2020). Det er også et kjent problem at kun omtrent 35% av de historisk aktive vulkanene på jorden er tilstrekkelig overvåket med bakkebaserte sensorer, mens mellom 25-45% av vulkanene mangler slik overvåkning (Brown et al., 2015). Dette er spesielt utfordrende ettersom flere vulkaner som mangler bakkebasert overvåkning befinner seg i fjerntliggende områder, men kan fortsatt utgjøre en betydelig trussel mot lufttrafikken. Fjernmålingsteknikker som ikke er avhengige av fysiske instrumenter på bakkenivå blir derfor essensielle for å gi en global oversikt over vulkaner.

De fleste prosessene som kan undersøkes med data om jordens deformasjon faller inn under tre hovedkategorier: 1) Akkumulering og uttak av magma, 2) Magmatisk transport, 3) Ikke-magmatisk aktivitet, som hydrotermale eller tektoniske forandringer. Å kunne identifisere og skille mellom disse prosessene er avgjørende for tolkningen av både nåværende og potensiell vulkansk aktivitet. Derfor er overvåkning av deformasjoner en viktig del av vulkanobservatorienes daglige arbeid (Richter & Froger, 2020; Poland & de Zeeuw-van Dalfsen, 2021).

Magmatisk aktivitet, spesielt akkumulering og uttak av magma fra underjordiske reservoarer, er en vanlig årsak til deformasjoner på vulkaner. Slike deformasjoner kan ofte oppdages før et utbrudd finner sted, noe som gir et viktig tidlig varsel. Flere uavhengige studier har vist at vulkaner som deformeres, er mer tilbøyelige til å ha et utbrudd i fremtiden, og at deformasjonen ofte kan oppdages flere år før utbruddet starter (Phillipson et al., 2013; Biggs et al., 2014; Furtney et al., 2018). En av de mest revolusjonerende teknologiene for å oppdage slike tidlige tegn på aktivitet er InSAR, som gjør det mulig å kartlegge store områder, spesielt i fjerntliggende og utilgjengelige regioner. Dette ble blant annet demonstrert på South Sister-vulkanen i Oregon, USA, som hadde minimal bakkebasert overvåkning. InSAR-data avslørte en heving av jordoverflaten vest for vulkanens topp, som begynte på slutten av 1990-tallet, og førte til økt overvåkning og beredskap (Wicks Jr et al., 2002; Dzurisin et al., 2006).

Fjernmålingsteknikkene har vært spesielt nyttige for å overvåke store vulkanske arkipelager, rift-systemer og vulkanske buer, og har avslørt en utrolig variasjon i deformasjoner relatert til magmatiske prosesser. For eksempel har InSAR-opplegg i Galápagos-øyene vist hvordan magma lagres og beveger seg under jorden (Amelung et al., 2000), og i Alaska har metoden identifisert deformasjoner på mange vulkaner som tidligere ikke ble ansett som aktive (Lu & Dzurisin, 2014). Dette har gitt verdifulle innsikter i magmareservoarers dynamikk og hjulpet forskere å forstå hvilke vulkaner som er mest utsatt for potensielle utbrudd.

Ved å kombinere InSAR med GNSS-stasjoner kan man få en mer detaljert tidsmessig oversikt over deformasjoner på vulkaner som viser tegn på aktivitet. Eksempler på slike studier finnes på vulkanene Fernandina og Sierra Negra i Galápagos (Geist et al., 2006; Chadwick Jr et al., 2006), og Agung på Bali (Syahbana et al., 2019). Ved å kombinere flere fjernmålingsteknikker kan forskere også kartlegge de magmatiske systemenes geometri, noe som gir viktig informasjon om hvordan vulkanen kan utvikle seg i fremtiden, som for eksempel ved Eyjafjallajökull på Island (Sigmundsson et al., 2010).

Gjennom å implementere et bredt spekter av fjernmålingsteknikker får man en betydelig mer helhetlig forståelse av vulkansk aktivitet, og dette gir forskere muligheten til å forutsi fremtidige utbrudd og potensielle farer på en mer presis måte. Dette kan redde liv, beskytte eiendom og forbedre evakuering og beredskap i vulkanområder.

Hvordan GNSS-systemet fungerer og hvordan det påvirker presisjonsnavigasjon

GPS-konstellasjonen består av minst 24 satellitter som kretser rundt Jorden i en høyde på omtrent 20 350 km. Satellittene er fordelt på seks ulike baneplan, som er vippet med 55 grader i forhold til ekvator. Denne distribusjonen gjør det mulig for satellittene å dekke store deler av Jordens overflate kontinuerlig. For å sikre at signalene kan fanges opp, er det behov for at minst fire satellitter er synlige samtidig fra en mottakers perspektiv. Dette er essensielt for å kunne beregne både posisjon og tid, da GNSS-systemet fungerer ved å bestemme avstanden mellom satellittene og mottakeren, og deretter løse for den eksakte posisjonen basert på disse avstandene.

GPS-satellittene sender ut signaler på to hovedfrekvenser: L1 (1575,42 MHz) og L2 (1227,60 MHz). L1-signalene brukes til å bestemme posisjonen på grunnlag av tidforskjellen mellom sendingen og mottakelsen av signalene, mens L2 kan brukes for mer presis måling. De mer avanserte GPS-generasjonene, som for eksempel de som har blitt satt i drift etter 2019, har også begynt å sende ut flere signaler, som L2C og L5, som er designet for å forbedre nøyaktigheten og redusere forstyrrelser fra atmosfæren.

L2C-signalet har høyere signal-støy-forhold enn det tradisjonelle C/A-signalet som benyttes på L1, og gir derfor bedre presisjon for sivile bruksområder. Denne utviklingen er spesielt viktig i et scenario der mottakere bruker to frekvenser samtidig for å kompensere for ionosfæriske forsinkelser. Dualfrekvensmottakere har blitt mer tilgjengelige for forbrukere, og dette har muliggjort nøyaktigere posisjonsbestemmelse selv i utfordrende miljøer.

Selve prinsippet bak GNSS-navigasjon er i bunn og grunn å måle avstanden mellom satellittene og mottakeren. Dette oppnås ved at hver satellitt sender ut signaler som reiser gjennom atmosfæren, og deretter beregnes hvor lang tid det tar før signalet når mottakeren. Ved hjelp av flere satellitter kan posisjonen bestemmes i tre dimensjoner, sammen med en korreksjon for feilene i tidtakingssystemene på mottakeren.

For å kunne bruke GNSS-systemet effektivt kreves det at flere referansesystemer blir brukt for å definere posisjonene nøyaktig. Et vanlig referansesystem er ECEF (Earth-Centered, Earth-Fixed), som definerer posisjonen i et kartesisk koordinatsystem som er festet til Jorden. Dette systemet er spesielt viktig fordi det tar hensyn til jordens bevegelser og gir en pålitelig måte å relatere satellittenes posisjoner til et globalt koordinatsystem. Et annet populært system er WGS84 (World Geodetic System 1984), som benyttes i de fleste kommersielle GPS-applikasjoner. Det gir en standardisert måte å uttrykke posisjoner på globalt nivå.

En viktig detalj for leseren er forståelsen av hvordan høydeverdier fra GNSS er relatert til referansesystemet. Høyder oppgitt i GNSS-data er relative til et ellipsoidisk referansesystem, som for eksempel WGS84, og ikke nødvendigvis til havnivået. Dette betyr at høyden er en matematisk beregning basert på et ideelt ellipsoid som representerer jordens form, mens høyder målt i forhold til havnivå er mer komplekse og påvirkes av lokale gravitasjonsanomalier og jordens ujevne overflate.

GNSS-systemet er avhengig av nøyaktige tidsmålinger, ettersom satellittene er utstyrt med atomklokker som gir et presist tidsstempel på signalene de sender ut. Tidsfeil på mottakeren, som vanligvis har en mye mindre presis klokke, blir korrigert ved å bruke signalene fra de flere satellittene. Dette systemet har vist seg å være ekstremt effektivt for både sivile og militære applikasjoner.

For fremtiden ser vi på en stadig utvikling av GNSS-teknologi, med økt nøyaktighet og robusthet takket være nyere signaler som L2C og L5. Forbrukere vil også kunne dra nytte av bedre posisjonsbestemmelse, samtidig som systemets pålitelighet fortsetter å forbedres. Utviklingen av GNSS vil være avgjørende for fremtidens navigasjon, og det er derfor viktig å forstå hvordan disse systemene opererer og hvordan feilene kan minimeres for å oppnå maksimal nøyaktighet.