地球上的兩大地質活動——火山和地震，造成了巨大的人員傷亡和損失，嚴重影響著人類的生命安全。如何更快、更準的預報或監測火山噴發和地震，是地質科學界一個永恆的方向。地震和火山噴發到底能不能預測呢？有沒有更好的預測方法呢？下面為您介紹一個獨特的思路：
飛向太空，在天上預測！
火山爆發
大地震的破壞力
通過地表運動預測火山和地震
一說起提前預報地震，各種爭議和偽科學能把人淹掉！說實話，至今還沒有非常可靠的預報手段，但是研究人員已經提出了很多可能的途徑，其中一種就是GPS觀測方法：使用高精度的GPS全球定位系統，觀察某一區域地表的運動，來判斷是否有大地震的可能。這一方法對火山山體同樣有效，甚至更為明顯。你沒看錯，在火山噴發和地震發生之前和正發生時，山體和地表確實是會動彈的！
然而這種方法的侷限性顯而易見：不可能在地表放置無限多的GPS裝置，尤其是在偏遠地區，而有限的採樣數量會導致數據的缺失和預測結果的不可靠。
使用衛星和雷達觀測地表位移
近年來，美國宇航局（NASA）提供了一種嶄新的途徑：利用衛星，在太空中觀測火山山體和地表的運動。與零散放置的地面GPS裝置不同，通過設計和選擇衛星軌道，在太空中觀測的範圍幾乎可以覆蓋整個地球，可以對火山周圍和地震高風險區域進行密集的觀測，獲得大量的數據，非常有利於預報和監測！除此之外，甚至還可以發現洪水和地下水開採導致的地表運動。
從國際空間站俯瞰夏威夷Kilauea火山噴出的煙雲
NASA選擇了立方星（Cubesats）來執行此種任務。立方星是一種低成本小衛星，可以發射多顆衛星組成星座，監控廣大的地區。但是如何才能探測到山體和地面的移動呢？這事沒那麼簡單。
Cubesats立方星
普通的光學衛星顯然是不行的，不管它的分辨率多麼精細，都沒什麼用處。原因除了光學相機容易受到氣象條件干擾之外，還由於通過光學圖像很難精確的測定地形，無法通過兩幅圖像的對比來計算地表的位移。總之，普通的相機是不行的，你需要一雙能“看透”大氣層，還能識別地形的“眼睛”！
這雙“透視眼”就是S波段干涉合成孔徑雷達(InSAR)，它不僅能夠精確的繪製地形，還有一項特殊的本事——穿透植被，直接把地面看個通透。因此這種雷達經常也被用於軍事上的電子偵察。InSAR可以在不同時間繪製相同地點的地形圖像，再將兩幅圖進行對比，可以輕易的測出地表的位移量。不僅是地震和火山噴發，InSAR還能對山體滑坡、冰川移動，甚至地球內部的運動進行觀測。
InSAR獲取的加州中央山谷地表圖像
InSAR雷達已經成功的運用在對偏遠地區火山活動的監測中，發現了可能發生異常地質活動的區域，還對地面監測設備的投放進行了指導。1997年至2001年，科學家使用InSAR雷達對位於俄勒岡州中部的“三姊妹”火山進行了監測，發現了一個存在異常變形的區域，而該區域上次發生噴發還是在1500年前。根據這一結果，美國地質勘探局在此區域佈置了地震儀、GPS基站和氣體監測裝置。2004年，這些儀器連續監測到300多次小規模地震。
美國俄勒岡州的三姊妹火山
CIRES地質科學成像衛星
CubeSats立方星搭載了InSAR雷達後，搖身一變，就將成為高大上的“地質科學成像衛星”（CIRES）。但這個操作可不是一蹴而就，需要經過大量的驗證。由於條件有限，研究人員最初只能將CIRES的原型裝置放在汽車上，在山間公路的高處行駛，對山谷中的地形成像，這種方式被戲稱為“CarSAR”。
汽車君客串衛星……
之後的條件得到了改善，在2018年的Kilauea火山即將爆發時，CIRES被裝上了飛機對火山口的形狀進行觀測，但是很不幸，未能獲得能夠進行對比的圖像，原因很容易猜到：在兩次成像中，由於條件所限，無法讓飛機兩次飛行在相同的路線上，軌跡偏差甚至超過了150米。
從2019年12月起，CIRES被裝上另一架原本用作跳傘運動的飛機，在3000米高空對一片洪水氾濫區域進行成像觀測試驗。通過改進飛行導航系統，飛機兩次飛行軌跡的偏差僅有幾英尺，比起2018年是靠譜多了。
在飛機上開展CIRES星載雷達測試
一旦CIRES飛上太空，情況就會有更大的改善。衛星兩次飛臨目標的軌跡可以是高度重複並且可預測的，為成像對比帶來了極大的便利。當然，CIRES本身還需要持續提高系統的寬容度，以便在出現較大軌跡偏離時，仍然能夠消除誤差，完成圖像對比。
三顆立方星
衛星預報地質災難的前景
雖然CIRES使用的是立方星之類的小衛星，性能可能不如大型衛星那麼強大，但是由許多小衛星組成的系統，可以在災難發生或即將發生時，頻繁的對目標進行觀測，以更低的成本為決策者和災害處置部門提供更詳盡的數據，可以縮短反應時間，甚至在災難即將發生時作出警示，極大的減少人員傷亡和財產損失，它的應用前景非常值得期待！
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