Mit Fernerkundungsinstrumenten wie Radar und Sonar können wir die Topografie und die Oberflächeneigenschaften von Vulkanen und anderen geologischen Merkmalen an unzugänglichen (oder wolkenbedeckten) Orten, einschließlich anderer Planeten und des Meeresbodens, kartieren. Im Folgenden finden Sie eine kurze Einführung und einen Vergleich dieser beiden Systeme für diejenigen, die mit dem einen vertraut sind, aber nicht mit dem anderen, oder die manchmal Radar-/Sonardaten verwenden, aber nicht genau wissen, woher sie kommen und was sie wirklich bedeuten.

Die Energie

Sowohl Radar als auch Sonar sind aktive Systeme; sie liefern eine Energiequelle (elektromagnetisch bzw. akustisch), um das Gelände zu „beleuchten“, und können daher sowohl bei Tag als auch bei Nacht eingesetzt werden. Die vom Gelände zurückgeworfene Energie wird vom System erfasst und als Bildmaterial aufgezeichnet. Radar arbeitet mit viel höheren Frequenzen als Sonar und wird zur Abbildung von Landgebieten über dem Meeresspiegel verwendet (elektromagnetische Wellen werden im Wasser stark abgeschwächt); das Sonarsignal mit niedrigeren Frequenzen wird durch das Wasser übertragen und zur Abbildung des Meeresbodens verwendet.

An der Oberfläche, die abgebildet werden soll, wird die Energie gestreut, wenn sich die Ausbreitung der Welle aufgrund einer Änderung der Eigenschaften des Materials, durch das sich die Welle bewegt (z. B. von Luft/Wasser zu Sediment/Fels), stark verändert. Die Energie wird im Allgemeinen in alle Richtungen gestreut, aber nicht gleichmäßig; es gibt ein sehr starkes Echo in der so genannten „spiegelnden“ Richtung (wie bei einem glatten Spiegelreflektor). Das Radar-/Sonarbild setzt sich nur aus der „rückgestreuten“ Energie zusammen, die zur Empfangsgruppe (Antenne) zurückkehrt. Die Intensität der Rückstreuung (und damit die „Helligkeit“ des Bildes) hängt sowohl von den Eigenschaften des Systems als auch von den Merkmalen des Geländes ab. Konventionell werden starke Rückstreuungen beim Radar hell dargestellt (wie auch beim GLORIA-Sonar), während beim SeaMARC-Sonar (und seinem Nachfolger HMR-1) starke Rückstreuungen dunkel dargestellt werden.

Die Erde

Die Geländemerkmale, die die Intensität der Rückstreuung beeinflussen, sind die Textur oder Rauheit und das Eigenreflexionsvermögen der Oberfläche. Beim Radar wird das inhärente Reflexionsvermögen der Oberfläche durch die Dielektrizitätskonstante gesteuert (die Eigenschaft, die die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen bestimmt). Beim Sonar wird die Reaktion auf die Wellenausbreitung von der akustischen Impedanz bestimmt. Sowohl die Dielektrizitätskonstante als auch die akustische Impedanz sind Funktionen der physikalischen Eigenschaften des Materials, einschließlich der Porosität, der Porenflüssigkeiten, der Kornzusammensetzung und der Struktur. Auf der Erde erhöhen selbst geringe Wassermengen die Dielektrizitätskonstante, so dass geologische Materialien in erster Näherung alle etwa das gleiche Reflexionsvermögen haben und die Oberflächendurchdringung gering ist (dies gilt jedoch nicht für Wüstengebiete oder für planetarische Körper wie den Mond, die völlig trocken sind). Auf der Erde ist daher die Oberflächenrauhigkeit in der Regel die wichtigste Geländemerkmal, das die Radar-/Sonarsignatur beeinflusst.

Die Systeme

Da die Rückstreuung am stärksten von Objekten beeinflusst wird, deren Größe mit der halben Wellenlänge der Quelle oder mehr vergleichbar ist, hängt die Wirkung der Oberflächenrauhigkeit auf das Radar-/Sonarbild stark von der Wellenlänge ab. Radarwellen bewegen sich in der Luft mit Lichtgeschwindigkeit (~3,0×108 m/s) und Sonarwellen im Wasser mit Schallgeschwindigkeit (~1,5×103 m/s). Aufgrund der Beziehung zwischen Geschwindigkeit, Frequenz und Wellenlänge haben die höherfrequenten Radar- und die niederfrequenten Sonarwellen ähnliche Wellenlängen. Die Oberflächenmerkmale, auf die sie reagieren, liegen daher im selben allgemeinen Bereich von 1 bis 100 cm.

Neben der Wellenlänge gibt es zwei weitere Systemeigenschaften, die sich auf die Rückstreuung von Oberflächenrauhigkeit auswirken: der Einfallswinkel (gemessen von der Vertikalen) und die Polarisation. Eine raue Oberfläche erzeugt eine starke, nahezu gleichmäßige Rückstreuung, unabhängig vom Einfallswinkel. Im Gegensatz dazu ist die Rückstreuung von glatten Oberflächen stark winkelabhängig; glatte Oberflächen neigen dazu, bei niedrigen Einfallswinkeln (nahe der Senkrechten) sehr starke Rückstreuungen zu erzeugen, bei höheren Einfallswinkeln jedoch wenig oder gar keine. Bei kürzeren Wellenlängen ist die Empfindlichkeit gegenüber dem Winkel geringer als bei längeren Wellenlängen, da die gleiche Oberfläche für das System mit längeren Wellenlängen glatter aussieht. Bei Radarbildern wirkt sich auch die Polarisation auf die Intensität der Rückstreuung aus (beachten Sie, dass Sonar akustische Kompressionswellen verwendet, die keine Polarisationseigenschaft haben; Wasser kann keine Scherwellen übertragen).

Seitwärtsgerichteter Radar/Sonar

Die einfachste Form von Radar und Sonar sendet einen einzigen schmalen Strahl aus und zeichnet die Signalstärke und die Laufzeit auf (woraus sich die Entfernung zum Zielgebiet ergibt). Hochentwickelte Radar- und Sonarsysteme für großflächige Kartierungen (Schwaden) senden einen schmalen, fächerförmigen Strahl aus und beleuchten so einen Schwaden parallel zum Instrument und seitlich von ihm. Dies wird als seitlich blickendes Radar (SLR) oder Side-Scan-Sonar (wie SeaMARC II oder HMR-1) bezeichnet. Die Karte wird erstellt, wenn sich das Instrument entlang einer Fluglinie (oder Schiffsspur) bewegt und dabei die beleuchtete Spur entlang der Oberfläche unter ihm abtastet.

Radar mit synthetischer Apertur

Die Auflösung von seitwärtsgerichteten Radar-/Sonarsystemen ist durch praktische Beschränkungen bei der Länge der Antennen begrenzt. Das Synthetic Aperture Radar (SAR) überwindet diese Beschränkung, indem es eine synthetische „Antenne“ von (potenziell) unbegrenzter Länge schafft, wodurch sich die Strahlbreite verringert und die Auflösung erhöht. SAR ist das am häufigsten verwendete System in der Radarbildgebung, erfordert jedoch eine extrem stabile Plattform (die Auflösung wird in erster Linie durch unsere Fähigkeit begrenzt, die Bewegung des Instruments zu korrigieren). Es gibt Sonar-Äquivalente zum Radar mit synthetischer Apertur, die sich noch im Anfangsstadium der Entwicklung befinden. Das Problem besteht darin, dass die von Bildgebungssystemen mit synthetischer Apertur geforderte Verfolgungsstabilität im Ozean nur schwer zu erreichen ist, insbesondere bei den viel längeren Zeitintervallen, die für die Aufzeichnung des zurückkehrenden Signals erforderlich sind.

Zusammenfassung

In den meisten vulkanischen Gebieten der Erde ist die Oberflächenrauhigkeit der wichtigste geologische Faktor, der die Helligkeit des Rückstreubildes beeinflusst; die Wellenlänge der Quelle und der Einfallswinkel steuern die resultierende Radar-/Sonarsignatur. Der größte Unterschied zwischen den beiden Systemen ist der 2×105 Unterschied in der Geschwindigkeit und damit der Zeit, die für den Empfang der zurückkehrenden Energie erforderlich ist. Beide Systeme eignen sich für die Untersuchung/Unterscheidung von rauen Oberflächen im Bereich von 1 bis 200 cm.