2009 年發生的8.1 級地震加劇了美屬薩摩亞的土地沉降。NASA 科學家引入了InSAR 技術，揭示了地震後沉降率的增加。這項研究強調，全球沿海復原規劃需要準確的數據。2009 年9 月29 日，美屬薩摩亞、薩摩亞和湯加附近發生8.1 級地震，引發的海嘯造成人員傷亡和2 億美元的財產損失。地震還加劇了美屬薩摩亞的另一個問題：沉降，即土地下沉。當海平面相對上升時，土地下沉會增加沿海洪水的頻率和數量。

美屬薩摩亞圖圖伊拉島的大地遙感衛星圖像，2022 年7 月22 日由大地遙感衛星8 號上的陸地成像儀(OLI) 拍攝。圖源：NASA 地球觀測站/Lauren Dauphin

測量沉降的挑戰

位於馬里蘭州格林貝爾特的美國宇航局戈達德太空飛行中心的地球物理學家讓娜-索伯（Jeanne Sauber）說，在島嶼上防止洪水需要對地面下沉的程度和位置進行可靠的測量。她說：”需要詳細了解哪裡的土地下沉得最快。”為此，索伯和幾位美國國家航空航天局的同事正在結合遙感工具找出答案。

從歷史上看，在熱帶小島上進行沉降測量一直很困難，原因有兩個。島嶼往往沒有什麼資源來獲取陸地表面的詳細測量數據，而且正午濃密的雲層和植被會使良好的衛星數據難以獲得。

以美屬薩摩亞的圖圖伊拉島為例，美國國家航空航天局的一個科學家小組去年發表了一項研究，探討如何更好地繪製地震多發島嶼的地面變化圖。他們發現，將衛星觀測和地面觀測相結合，可以繪製出更細緻、更全面的地圖。

過去，科學家們使用圖圖伊拉島上兩個測量點的數據：一個全球定位系統站和島上的一個驗潮儀。他們通常將這些測量點與衛星測高儀結合起來，這樣科學家們就可以廣泛地監測海洋表面的高度。然而，這些數據只能提供有限的信息。

主要發現

在這項研究中，研究人員增加了InSAR（即乾涉合成孔徑雷達），這使他們能夠看到地面變化的位置。干涉合成孔徑雷達是一種通過比較在不同時間收集到的同一地區的衛星雷達圖像來發現地球表面運動並跟踪地面高度變化的技術。

研究發現，2015 年至2022 年間，圖圖伊拉島平均每年下沉0.24 至0.35 英寸（6 至9 毫米），而2009 年地震前每年下沉0.04 至0.08 英寸（1 至2 毫米）。地震發生後，尤其是海岸線一帶的下沉速度最快。

美國國家航空航天局戈達德分局博士後項目研究員、該研究的第一作者Stacey Huang 說：”我們知道這一點上的地面變形程度，因為那裡有GPS 站，但有了雷達遙感技術，我們就能獲得更密集的全島情況圖。”

繪製更好的地圖

合成孔徑雷達數據由飛機或衛星收集。它的工作原理是從衛星向地球表面發射微波脈衝，然後測量脈衝反彈回來的時間和反射的強度，即”反向散射”。與許多衛星儀器不同，這種雷達可以穿透雲層和茂密的植被，使研究人員能夠準確測量相對高度和地表的變化。Huang和Sauber的研究使用了歐洲航天局（ESA）哥白尼哨兵-1A衛星的數據。

研究人員還利用衛星測高儀數據評估海平面，並將其與島上帕果帕果驗潮站的測量數據進行關聯。驗潮儀測量的是相對於圖圖伊拉島的海平面，而測高儀測量的是絕對海平面。兩者之間的差值顯示了圖圖伊拉島相對於地球中心的陸地運動或移動。

評估偏遠島嶼陸地沉降的挑戰之一是了解島嶼運動如何可能受到更廣泛的構造板塊運動的影響。通過加入圖圖伊拉島GPS 站的測量數據，研究人員可以監測垂直運動的速度。

這項研究的合著者紹伯說：”因此，我們不僅可以說島嶼上的一個點相對於另一個點在做什麼，我們還可以說這個島嶼相對於世界其他地方在做什麼。”

土地下沉的原因

西太平洋這一地區的陸地下沉是太平洋板塊和澳大利亞板塊運動的結果。當一個板塊從另一個板塊下面穿過時，太平洋的一個深峽谷湯加海溝（Tonga Trench）沿線就會發生一種叫做俯衝的現象。這一過程經常引發地震，造成島嶼表面的垂直運動和地表變化。

為了了解每次地震後陸地發生了多大變化，科學家們測量了一種叫做陸地垂直運動的東西–地球地下物質的移除和重新排列引起的陸地上下運動。

南加州美國宇航局噴氣推進實驗室的地球物理學家埃里克-菲爾丁（Eric Fielding）說：”在數十萬年甚至數百萬年的時間裡，這些火山島往往會隨著冷卻而下沉。這一長期地質過程適用於薩摩亞群島，而地震週期又加劇了這一過程。”

研究報告的第三作者、美國宇航局戈達德分部的地球物理學家理查德-雷（Richard Ray）說，海平面上升使問題更加複雜。以圖圖伊拉為例，根據雷和索伯等人之前的一項研究，相對海平面的上升幅度是全球平均水平的五倍之多。根據美國宇航局對衛星數據的分析，從2021 年到2022 年，全球平均海平面上升了0.11 英寸（2.7 毫米）。在2019 年的那項研究中，科學家們發現，地震前該地區相對於陸地的海平面上升幅度為每年0.04 到0.08 英寸（2 到3 毫米），而現在，相對海平面上升幅度是全球平均水平的數倍。

雷說：”3毫米聽起來並不多，但隨著時間的推移，它會產生很大的影響。”

全球影響和未來計劃

世界上許多島嶼都面臨著海平面上升的問題，這些島嶼與圖圖伊拉島有著相似的特徵。研究人員希望將從圖圖伊拉島學到的知識應用到其他島嶼的海岸復原規劃中，包括美國國家航空航天局（NASA）和聯合國之間的合作，為太平洋島國的決策提供信息。

NISAR是NASA-ISRO合成孔徑雷達的簡稱，由NASA和印度空間研究組織（ISRO）聯合開發，將於2024年初發射，它將以極其精細的細節跟踪地球陸地和冰面的運動，並將幫助識別和跟踪世界各地的陸地垂直運動。

要保護生活在較小島嶼上的人們，就必須進行海岸復原規劃，而這需要可靠的數據。

“我們需要知道陸地下沉的速度，這樣才能根據科學數據做出決策，”索伯說。”你不會想讓人們離開自己的家園，除非他們真的會陷入絕境”。