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Westerhaus, Malte: Quantifizierung magmatischer Förderraten und Überwachung der Stabilität aktiver Vulkandome mittels differentieller digitaler Elevationsmodelle (DDEM)

Förderung: BMWi

Laufzeit:  01.01.2011 – 31.03.2014

Antragsteller

Die Bestimmung des Volumens von eruptiertem Material während vulkanischer Aktivitätsphasen ist einerseits für die Einschätzung der Gefährdung der ansässigen Bevölkerung von immenser Bedeutung, andererseits eine große Herausforderung in der Vulkanforschung. Dies gilt insbesondere für dombildende Vulkane, die weltweit zu den gefährlichsten geologischen Objekten gehören. Eine Möglichkeit zur Ermittlung der Menge des ausgestoßenen Materials beruht auf dem Vergleich von Geländemodellen des Vulkans vor, während und nach einer Eruption. Klassische Methoden zur Bestimmung digitaler Geländemodelle (DGM) mit Hilfe geodätischer Vermessung, photogrammetrischer Verfahren oder interferometrischer Auswertung von Radarbildern (InSAR) sind hierfür in der Regel nicht anwendbar, da einerseits das Gelände oft unzugänglich oder wegen Gas- und Aschewolken für optische Messungen nicht einsehbar ist, andererseits die Kohärenz der Radarbilder aufgrund starker Oberflächenveränderungen nicht gewährleistet ist.

In dem vom BMWi geförderten Projekt „Quantifizierung magmatischer Förderraten und Überwachung der Stabilität aktiver Vulkandome mittels differentieller digitaler Elevationsmodelle (DDEM)“ wurde das Potential bistatischer TanDEM-X-Aufnahmen zur Erstellung von hochauflösenden DGMs an aktiven Vulkanen ausgelotet. Die Satellitenmission TanDEM-X überwindet einige Einschränkungen der klassischen monostatischen Interferometrie, bei der Radarbilder miteinander verglichen werden, die mit einem zeitlichen Abstand von Tagen oder Wochen aufgezeichnet wurden. TanDEM-X besteht aus einer Formation von zwei nahezu identischen Satelliten, die simultan zwei Radarbilder aus leicht unterschiedlicher Position aufzeichnet. Im Gegensatz zu monostatischen Aufnahmen kann mit diesem bistatischen Aufnahmemodus aus jedem einzelnen Überflug des Satellitenpaares ein DGM berechnet werden, wodurch der Einfluss von zeitlichen Änderungen der Rückstreu- und atmosphärischen Bedingungen vernachlässigbar wird.

Am GIK wurde eine Methodik zur Erstellung von Zeitserien digitaler Geländemodelle aus wiederholten bistatischen SAR-Aufnahmen entwickelt (Kubanek at al., 2017; Kubanek et al., 2018) und validiert (Kubanek et al., 2013). Die Methodik wurde erfolgreich an sechs aktiven Vulkanen eingesetzt (Kubanek et al., 2018), die durch unterschiedliche vulkanische Aktivität gekennzeichnet sind. An den Vulkanen Merapi, Indonesien, und Colima, Mexiko, wurden die topographischen Änderungen durch kollabierende Lavadome erfasst und die Volumina des dabei freigesetzten pyroklastischen Materials bestimmt (Kubanek et al., 2013; Kubanek et al., 2015b).

Am Vulkan Shiveluch, Kamtschatka, konnte erstmals das Anwachsen eines Lavadoms mit bistatischen SAR-Szenen verfolgt werden. Das Verfahren wurde auch für die Volumenbestimmung basaltischer Lavaströme an den Vulkanen Tolbachik in Kamtschatka (Kubanek et al., 2015a, Kubanek et al., 2017) und am Ätna, Sizilien, mit Erfolg eingesetzt. In einer weiteren Fallstudie wurden Bodenhebungen von ca. 220 m durch eine Lacculith-Intrusion am Vulkan Puyehue-Cordón Caulle in den chilenischen Anden bestimmt (Kubanek et al., 2018). Die Fallstudien zeigen, dass verschiedene mit Volumen- und Topographieänderungen einhergehende Phänomene an aktiven Vulkanen anhand von bistatischen TanDEM-X-Aufnahmen mit hoher Genauigkeit untersucht werden können.