Los cambios en la superficie nos dicen mucho sobre el subsuelo

Los cambios en la superficie de un volcán (deformación volcánica) pueden proveer información sobre lo que sucede por debajo de la misma. La mayoría de las deformaciones volcánicas sólo pueden ser detectadas y medidas mediante técnicas precisas de sondeo. El programa de riesgos en volcanes ha instalado redes de instrumentos sensibles a la deformación alrededor de los volcanes para monitorear los cambios a través del tiempo. Estos instrumentos, junto con las tecnologías basadas en satélites nos ayudan a comprender los volcanes y a proveer alertas de erupción.


GPS

Monitoreo de deformación de suelos para volcanes con GPS

Sistema de posicionamiento global (GPS)

El sistema de posicionamiento global  consiste de una constelación de 24 satélites. Cada satélite orbita la Tierra dos veces al día a una altitud de 20,000km y transmite información continuamente en frecuencias específicas hacia receptores basados en tierra. El GPS fue desarrollado por el departamento de defensa de los EE.UU. como un sistema de navegación a nivel mundial, y ha sido adoptado por civiles para múltiples usos que incluyen aplicaciones de sondeo, mapeo y ciencias. Los receptores GPS relativamente baratos, como aquellos utilizados por pilotos, usuarios de barcos y entusiastas pueden determinar su posición en la superficie de la Tierra hasta distancias dentro de algunas decenas de metros. Con receptores más sofisticados y técnicas de análisis para datos, como los que se muestran en el Monte Santa Helena, podemos determinar las posiciones de los receptores con precisión menor a un centímetro.

¿Cómo funciona el GPS?

Los satélites GPS transmiten continuamente un estimado de la posición del satélite, un código digital, y el tiempo preciso de la señal. Los receptores GPS miden la distancia utilizando el tiempo de viaje de las señales de radio. La distancia es calculada al multiplicar el tiempo que le toma a las señales de radio el llegar al receptor, multiplicado por la velocidad a la que viajan las señales, aproximadamente 186,000 millas/segundo (la velocidad de la luz). Al saber la ubicación de los satélites cuando transmiten las señales, el receptor puede calcular su posición de la Tierra en el aire. La clave es que los receptores deben recibir las señales simultáneamente desde al menos 4 satélites, en parte debido a que los relojes de los receptores no son tan precisos como los relojes atómicos en los satélites. Si los relojes en el receptor y el satélite no están sincronizados por 1/1000 de segundo, la medida de distancia puede ser afectada por 186 millas. La cuarta medición esencialmente permite que el receptor corrija su reloj interno.

Para obtener información general en línea de cómo funciona el GPS, véase: Trimble Navigation's tutorial.

 

Utilizar redes GPS para obtener datos más precisos.

La constelación actual de satélites provee al usuario del GPS de 5 a 8 satélites a la vista desde cualquier lugar de la Tierra si uno tiene una vista obstruida del cielo en todas las direcciones. Con toda esta información, un receptor de GPS puede determinar rápidamente su posición en cuestión de metros. Sin embargo, en el caso de los volcanes, la precisión de unos cuantos centímetros resulta extremadamente importante para detectar la acumulación de presión y deformación ocasionada por el magma que sube en dirección a la superficie. Para obtener este tipo de precisión en las medidas, se deben tomar en cuenta otros factores, que incluyen la variación de la velocidad de la señal transmitida desde el satélite mientras viaja por la atmósfera y la incertidumbre en la posición del satélite.

Una forma muy común de eliminar estos errores potenciales es el instalar receptores GPS en diversos puntos de referencia del volcán al mismo tiempo para poder recolectar datos de los mismos satélites simultáneamente. Debido a que la mayoría de los errores asociados con el retraso de la señal por la atmósfera y la ubicación de satélite es la misma para todos los sitios, podemos determinar sus posiciones en relación a otro por menos de un centímetro. Para mayor precisión, recolectamos los datos GPS de 8 a 24 horas y luego calculamos la posición del punto de referencia utilizando ubicaciones satelitales más precisas y modelando el despliegue atmosférico.

El uso de GPS para el monitoreo de deformación en volcanes: Volcán Mauna Kea, Hawai

La constelación actual de satélites provee al usuario del GPS de 5 a 8 satélites a la vista desde cualquier lugar de la Tierra si uno tiene una vista obstruida del cielo en todas las direcciones. Con toda esta información, un receptor de GPS puede determinar rápidamente su posición en cuestión de metros. Sin embargo, en el caso de los volcanes, la precisión de unos cuantos centímetros resulta extremadamente importante para detectar la acumulación de presión y deformación ocasionada por el magma que sube en dirección a la superficie. Para obtener este tipo de precisión en las medidas, se deben tomar en cuenta otros factores, que incluyen la variación de la velocidad de la señal transmitida desde el satélite mientras viaja por la atmósfera y la incertidumbre en la posición del satélite.

Una forma muy común de eliminar estos errores potenciales es el instalar receptores GPS en diversos puntos de referencia del volcán al mismo tiempo para poder recolectar datos de los mismos satélites simultáneamente. Debido a que la mayoría de los errores asociados con el retraso de la señal por la atmósfera y la ubicación de satélite es la misma para todos los sitios, podemos determinar sus posiciones en relación a otro por menos de un centímetro. Para mayor precisión, recolectamos los datos GPS de 8 a 24 horas y luego calculamos la posición del punto de referencia utilizando ubicaciones satelitales más precisas y modelando el despliegue atmosférico.

 

InSAR

Mapeo de la deformación de grandes áreas utilizando imágenes radas de los satélites que orbitan la Tierra

Equipo de investigación USGS - VHP InSAR

Abstracto del proyecto

Interferograma que muestra una subida de 3 millas hacia el Sur, Interferograma por C. Wick

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InSAR

Este sitio provee en su mayor parte, información no técnica sobre InSAR, una emocionante tecnología de detección remota que se utiliza para estudiar, entre otras cosas, sismos y volcanes. InSAR quiere decir Radar de Apertura Sintética Inferométrica. Los satélites registran imágenes de la superficie de la Tierra, y estas imágenes pueden combinarse para mostrar el movimiento sutil de la superficie del suelo, llamado deformación.

InSAR es una técnica probada para mapear la deformación del suelo mediante imágenes radares de los satélites que obritan la Tierra. InSAR expande la habilidad de los científicos de monitorear los volcanes, ya que, a diferencia de otras técnicas que dependen de la medición en diversos puntos, InSAR produce un mapa completo espacial de la deformación del suelo con una precisión en escala de centímetros, sin exponer al personal a las condiciones riesgosas de la tierra. Este proyecto combina los resultados del InSAR con aquellos de otras técnicas geodéticas que incluyen el Sistema de Posicionamiento Global (GPS), los de sensores de pozos como los dilatómetros e inclinómetros, y la nivelación precisa para caracterizar la deformación de la tierra en volcanes en el tiempo y el espacio. Los datos resultantes ayudan a crear modelos de las causas de la deformación volcánica, lo cual con el tiempo ayuda a la evaluación a corto plazo de los riesgos volcánicos. Se puede encontrar más información en: Monitoring Ground Deformation from Space por Rosalind L. Helz.

 

El equipo de investigación

El equipo de investigación InSAR está conformado por científicos en diversas ubicaciones con el propósito de estudiar la deformación del suelo. Para conocer la lista de miembros ingrese a la página de Miembros del equipo.

Conoce más sobre InSAR.

Otros métodos de monitoreo para la deformación del suelo:

EDM | Inclinómetro | GPS

¿Qué hay de nuevo?

Investigación:

·         Nuevo estudio InSAR de los volcanes del arco aleutiano por Zhong Lu y Daniel Dzurisin

Zhong Lu y Dan Dzurisin procesaron casi 12,000 imágenes SAR para producir alrededor de 25,000 interferogramas para los volcanes del arco aleutiano, los cuales analizaron para mostrar evidencia sobre la deformación de la superficie en cada uno de los 52 volcanes históricamente activos del arco. Concluyeron que los procesos (de enfriamiento) magmáticos, hidrotermales, tectónicos y termoelásticos juegan un papel importante en ocasionar la deformación de la superficie de dichos volcanes aleutianos. De acuerdo a las observaciones del InSAR, sólo 13 de los 44 volcanes no mostraron evidencia de deformación superficial de ningún tipo del año 1992 al 2010.  Tres de esos 13 (Cleveland, Shishaldin, y Pavlof) hicieron erupción repetidamente sin causar deformación. La deformación superficial atribuida a intrusiones magmáticas ocurrió por debajo de 21 volcanes observados, también en el área del Lago Strandline al norte del Monte Spurr. Lu y Dzurisin atribuyeron el hundimiento apreciado en 7 de los 44 volcanes observados a la contracción termoelástica de los flujos volcánicos jóvenes o a la pérdida de fluido de los sistemas hidrotermales. La causa más probable de la profunda deflación en las calderas del Lago Emmons y Aniakchak es la pérdida volátil de los depósitos de la corteza del magma. Durante el periodo de 20 años de duración del estudio, ocurrieron erupciones en 17 de los 52 volcanes históricamente activos aleutianos, y el InSAR detectó algún tipo de deformación en más del 80 por ciento de los 44 volcanes observados. El manuscrito publicado por Springer, que discute estos resultados y sus implicaciones para los sistemas magmáticos debajo de los volcanes Aleutianos se puede encontrar aquí.

·         Redes GPS temporales instaladas en Yellowstone

Se instalaron redes GPS temporales en la caldera de Yellowstone (9 estaciones) y en área de Three Sisters (12 estaciones) para complementar las observaciones del InSAR sobre la deformación del suelo. Las redes operan durante los meses del verano sólo para evitar la necesidad de instalar estaciones telemétricas resistentes al invierno. Dichas estaciones han sido instaladas cada verano desde el año 2008 en Yellowstone y desde el 2009 en Three Sisters.



·         Evidencia InSAR sobre la falla Spokane

En 2001 una secuencia de sismos acechó a la ciudad de Spokane, Washington. Wicks et al. han utilizado la tecnología InSAR para mostrar que los sismos ocurrieron en una falla superficial bajo la ciudad de Spokane. La antes desconocida falla, a la cual los autores nombraron “Falla Spokane” presenta riesgos sísmicos para la ciudad de Spokane, los cuales requerirán de más estudios para evaluar su potencial adecuadamente.

Wicks, C.; Weaver, C.; Bodin, P.; y Sherrod, B., 2013, InSAR “Evidence for an active shallow thrust fault beneath the city of Spokane Washington, USA”, J. Geophys. Res. Solid Earth, 118, doi:10.1002/jgrb.50118. 
Ensayo



También:

·         Conozca un poco más sobre cada miembro del equipo InSAR aquí.

·         Hoja de datos InSAR: Monitoring Ground Deformation from Space por Rosalind L. Helz y Figuras de la hoja de datos

·         Actualización de la actividad del Monte Santa. Helena

·         Monte Santa Helena se encuentra a un nivel de alerta NORMAL; Código de color para aviación VERDE. (Dar click aquí para mayor información sobre estos niveles)

·         Se puede encontrar mayor información en la página de resultados de investigación del InSAR

 

Inclinación

Monitoreo de la deformación del suelo en volcanes con Inclinómetros

 Los científicos instalaron un nuevo inclinómetro en el sitio norte del brazo oeste del Cráter Glacier. La vista da hacia el sur con la boca del brazo oeste del Crater Glacier en el fondo. El medir los pequeños cambios del ángulo de la pendiente o la “inclinación” del suelo del volcán es uno de los métodos más antiguos para el monitoreo de la deformación ocasionada por el magma en movimiento. Cuando el magma empuja el suelo hacia arriba, la pendiente de áreas adyacentes normalmente se inclinará del centro hacia arriba sólo por una fracción de grado. Por lo contrario, si el suelo se hunde a consecuencia del magma que se mueve por debajo, la pendiente de áreas adyacentes se inclinará hacia el centro del hundimiento. Utilizamos inclinómetros electrónicos para el registro continuo de dichas inclinaciones del suelo en los volcanes, y éstos se han convertido en el instrumento más utilizado para la medición de la deformación del suelo en volcanes, en tiempo real.


¿Qué es un inclinómetro?

Al igual que el nivel utilizado por el carpintero, un inclinómetro electrónico utiliza un pequeño contenedor lleno de un fluido conductor y una “burbuja” para medir los cambios en una pendiente. Electrodos colocados en el fluido y dentro de la burbuja son los que determinan la posición de la burbuja: conforme la burbuja se mueve, la salida de voltaje provocada por los cambios en los electrodos cambia de forma relacionada a la cantidad de inclinación que ocasiona el movimiento de la burbuja.

Vista cercana de un inclinómetro que está siendo instalado en el volcán en Soufriere Hills en la Isla caribeña de Montserrat, en el año 1995

¿Qué tan sensibles son los inclinómetros?

Los inclinómetros miden la cantidad de inclinación en microradianes, que es el ángulo obtenido al levantar el extremo de un rayo con un kilómetro de largo el ancho de un diezmo (equivalente a 0.00006 grados). Originalmente diseñados como parte del sistema de guía y control para los misiles militares, ahora se encuentra disponible una gran variedad de inclinómetros electrónicos para el monitoreo volcánico, cada uno con distintas resoluciones y rangos. Por ejemplo, utilizamos inclinómetros con rangos entre 100 y 10,000 microradios dependiendo de el volcán y la inclinación esperada.

Historias de caso seleccionadas sobre la inclinación en volcanes

Un patrón de inclinación notable en el volcán Kilauea, Hawai

Predicción de la erupción asistida por inclinómetros en el Monte Santa Helena

EDM

Monitoreo de la deformación del suelo en volcanes con medidas electrónicas de distancia 

Medir la distancia entre los puntos de referencia colocados en un volcán con una distancia de decenas a miles de metros de separación puede indicar el lugar y el momento en que la magma subirá a la superficie. La magma que sube a veces empuja hacia arriba o hacia un lado, aquellas rocas que se interponen en su camino. En cualquiera de los casos, una parte del volcán puede moverse horizontalmente en relación a otra parte al menos desde algunos milímetros hasta decenas de metros. El reto en medir dichos cambios con un metro electrónico es el de poner los puntos de referencia en el lugar correcto y realizando mediciones frecuentes entre pares de puntos referenciales.

¿Qué es un metro de distancia electrónico?

Un metro de distancia electrónico es un instrumento que envía y recibe señales electromagnéticas. Dependiendo de la señal entre el EDM y el reflector, la longitud de onda de la señal que retorna estará fuera de fase con la señal transmitida. El instrumento compara la fase de las señales transmitidas y recibidas, y mide la diferencia de la fase electrónicamente. Hay un amplio rango de capacidades y precisión del EDM, pero para los propósitos de monitoreo volcánico, se utilizan EDM’s de corto rango (menos de 10km) a mediano rango (menos de 50 km). Los EDM’s de corto rango transmiten y reciben la parte infrarroja casi visible del espectro electromagnético para la medición de distancias con una precisión alrededor de 5mm.

Fuente USGS:http://volcanoes.usgs.gov/activity/methods/deformation/index.php
 
 

 

 

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