Uso de SBAS para monitoreo del volcán Anak Krakatoa

El volcán Anak Krakatoa es uno de los volcanes activos de Indonesia. Tomando en consideración la erupción del 23 de diciembre del 2018 y el tsunami que desencadenó dicha erupción, se llevó a cabo un análisis de la deformación del cono volcánico durante los seis meses antes de esta erupción de diciembre de 2018. El análisis se llevó a cabo usando la técnica “Short Baseline Subset (SBAS)”. Este artículo presenta los resultados obtenidos.  

 

Volcán Anak Krakatoa

El volcán Anak Krakatoa (Indonesia) se encuentra entre las coordenadas 6°06′07″S y 105°25′23″E y es un estratovolcán joven que nació a partir del colapso de caldera del volcán Krakatoa debido a una violenta erupción pliniana en 1883. El 23 de diciembre de 2018, el volcán presentó un aumento en su actividad explosiva, dando lugar a una erupción tipo pliniana que provocó el colapso del flanco oeste del volcán ocasionando a su vez un deslizamiento submarino que desencadenó un tsunami que afecto costas de Indonesia. Se estima que el cono del volcán perdió cerca del 60% de su volumen original. 

 

Morfología del Volcán

El actual volcán Anak Krakatoa, situado en el estrecho de Sunda entre las islas de Java y Sumatra, representa el remanente del antiguo volcán Krakatoa después de su masiva erupción en 1883. El pequeño cono que se ve en la actualidad emergió del mar en 1927, ha crecido continuamente a lo largo de las décadas y ha mantenido una actividad permanente. En términos de estabilidad de laderas del cono volcánico, antes de la fuerte erupción de diciembre del 2018, la vertiente este-noreste se encontraba cubierta por vegetación mientras que la vertiente oeste-suroeste presentaba un constante emplazamiento de ceniza y material rocoso.

 

Descripción del análisis

Se realizó un análisis multi-temporal con la técnica de interferometría diferencia de radar (InSAR por sus siglas en inglés) durante un período de seis meses antes de la erupción de  diciembre del 2018 (de junio a diciembre) utilizando  la técnica  “Short Baseline Subset (SBAS)”, Berardino et al., 2002). El análisis se realizó usando ambas órbitas. Se utilizaron 14 imágenes tipo SLC (Single light Complex) en órbita ascendente abarcando el periodo entre el 27 de julio y el 7 de diciembre y 12 imágenes en órbita descendente abarcando el período entre el 25 de junio y el 11 de noviembre (Figura 1). Además, se utilizó el modelo digital de elevación SRTM (resolución 90 m) para la remoción de los elementos topográficos.

El uso de las dos órbitas (ascendente y descendente) ayuda a detectar deformaciones en todas las zonas de los conos de volcanes debido a que los conos poseen zonas de pendiente en todas las direcciones (eliminar sombras), así como para poder discriminar las distorsiones geométricas mayores (inversión del relieve, acortamiento del objeto).

 

Figura 1. Ejemplo de órbita ascendente y descendente para el volcán Anak Krakatoa.

 

Resultados

Con la técnica SBAS se detectó procesos de crecimiento o expansión de la ladera este del volcán mayores los 55 mm (acercamiento entre el objeto y el sensor radar, pixeles de color azul). Este resultado fue similar con imágenes en ambas órbitas y se presenta en las figuras 2a y 2b. Los resultados han sido sobrepuestos sobre imágenes ópticas Sentinel-2 adquiridas antes y después de la erupción.

Sin embargo, en la ladera oeste del volcán la técnica SBAS arrojó resultados opuestos de acuerdo con el tipo de órbita usado. En el caso de la órbita ascendente se detectó deformaciones negativas en la ladera oeste, del orden de -24mm  a - 63mm (incremento en la distancia entre el objeto y el sensor radar, pixeles de color naranja a rojo), lo cual puede  ocurrir cuando el depósito magmático se desplaza de forma lateral hacia una zona de fracturas o inestable; facilitando así el colapso de ladera. En contraste, usando el procedimiento SBAS con imágenes de la órbita descendente se detectó deformaciones positivas en algunas zonas del lado oeste del cono del orden de hasta +55 mm.   

La principal causa de estos resultados opuestos puede ser debido a que los valores de retrodispersión de la señal (backscattering) son distintos al estar observando diferentes lados del volcán desde distintos ángulos, que para el caso de estratovolcanes como el Anak Krakatoa este fenómeno se incrementa al tener una forma cónica. Por lo anterior, es necesario usar datos GPS in situ u inclinómetros que permitan validar la información obtenida mediante técnicas InSAR.

 

Figura 2a. Análisis multitemporal utilizando la técnica SBAS para el periodo Junio-Diciembre (25-06-2018 /28-11-2018), órbita descendente. Velocidad media de desplazamiento en dirección LOS (Line of Sight).De acuerdo al ciclo de color mostrado en la leyenda: las tonalidades de color verde significan estabilidad de la ladera (no movimiento), es decir, valores muy cercanos al 0, mientras que las coloraciones azules significan un aumento de elevación del terreno, es decir, que la distancia entre el objeto observado y el radar es más corta; finalmente, las tonalidades que tienden al rojo significan un movimiento negativo o hundimiento, es decir, la distancia entre el objeto observado y el sensor radar incrementa. Como se observa, muchas regiones del cono manifiestan elevación y solo algunos pixeles en la zona noroeste del cono muestran hundimientos. Hay zonas donde no se concretaron resultados debido a falta de coherencia entre todas las imágenes. En estas zonas se muestra el relieve de la parte alta del cono volcán y la vegetación en las zonas bajas del cono.

 

Figura 2b. Análisis multitemporal utilizando la técnica SBAS para el periodo Junio-Diciembre (27-07-2018 /07-12-2018), órbita ascendente. Velocidad media de desplazamiento en dirección LOS (Line of Sight). Como se observa, el lado este del volcán muestra procesos de elevación, mientras que el lado oeste muestra procesos de hundimientos. El uso de imágenes en esta órbita ascendente también ha permitido detectar deformaciones en casi todo el cono al haber una mejor coherencia entre todos los pixeles en todas las imágenes.

 

Las diferencias que se detectan con el uso de imágenes en órbitas ascendente y descendente también se pueden deber a los siguientes factores:

  • variaciones en las condiciones atmosféricas que retrasan la señal SAR
  • Los diferentes ángulos de visión del satélite (este u oeste respecto al objetivo) sobre pendientes pronunciadas que aumentan la distorsión geométrica del volcán (inversión del relieve, escorzo, sombras)

No obstante, comparando los resultados de las dos órbitas, es posible concluir que en este caso del volcán Anak Krakatoa, el uso de imágenes adquiridas en la órbita ascendente permitió observar el proceso de deformación en casi todo el cono volcánico. Esto implica que en este caso hubo muy buena coherencia entre todos los pixeles en todas las imágenes. 

En contraste, en el caso de la órbita descendente, se detectan zonas donde no se logró una buena coherencia entre todas las imágenes, sobretodo en la parte más alta del cono y en zonas de vegetación del lado este del cono. En las figuras 2 y 3, estas zonas donde no se logró obtener una buena coherencia se presentan sin color alguno.

Desde el punto de vista de la percepción remota, el colapso del sector oeste del Volcán Anak Krakatoa brindó una oportunidad para mostrar la fortaleza de la alta periodicidad de revisita de los satélites Sentinel 1  y para poner a prueba las técnicas InSAR  para su posible aplicación en sistemas de alerta temprana. De igual manera este estudio permitió demostrar las capacidades de los datos de radar Sentinel-1 para la detección de inestabilidad de laderas en ambientes volcánicos de dimensiones menores a los 3 km de diámetro.

 

Créditos

Esta investigación ha sido realizada en conjunto con UN-SPIDER y el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología de México (CONACYT) y la Universidad Autónoma del Estado de México (UAEMEX).

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