Ραντάρ υπεδάφους

Το ραντάρ διείσδυσης εδάφους (GPR) ή γεωραντάρ είναι μια γεωφυσική μέθοδος που χρησιμοποιεί παλμούς ραντάρ για την απεικόνιση του υπεδάφους. Είναι μια μη παρεμβατική μέθοδος αποτύπωσης της υπόγειας επιφάνειας για τη διερεύνηση υπόγειων βοηθητικών εγκαταστάσεων όπως σκυρόδεμα, άσφαλτος, μέταλλα, σωλήνες, καλώδια ή τοιχοποιία. Αυτή η μη καταστροφική μέθοδος χρησιμοποιεί ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία της ζώνης μικροκυμάτων (συχνότητες UHF / VHF) του ραδιοφάσματος και ανιχνεύει τα ανακλώμενα σήματα από δομές κάτω από την επιφάνεια του εδάφους. Το GPR μπορεί να έχει εφαρμογές σε ποικιλία μέσων, όπως πέτρες, έδαφος, πάγος, γλυκό νερό, πεζοδρόμια και κατασκευές. Στις κατάλληλες συνθήκες, οι επαγγελματίες μπορούν να χρησιμοποιήσουν το GPR για να ανιχνεύσουν υπόγεια αντικείμενα, αλλαγές στις ιδιότητες του υλικού, κενά και ρωγμές.

Το GPR χρησιμοποιεί ραδιοκύματα υψηλής συχνότητας (συνήθως πολωμένα), συνήθως στην περιοχή 10 MHz στα 2,6 GHz. Ο πομπός GPR και μια κεραία εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητική ενέργεια στο έδαφος. Όταν η ενέργεια συναντά θαμμένο αντικείμενο ή ένα όριο μεταξύ υλικών που έχουν διαφορετική διαπερατότητα, μπορεί να ανακλαστεί ή να διαθλαστεί και να επιστρέψει στην επιφάνεια. Στη συνέχεια η κεραία λήψης μπορεί  να καταγράψει τις διακυμάνσεις στο σήμα επιστροφής. Οι αρχές που εμπλέκονται είναι παρόμοιες με εκείνες της σεισμολογίας, εκτός του ότι οι μέθοδοι GPR εφαρμόζουν ηλεκτρομαγνητική ενέργεια αντί για ακουστική ενέργεια, και η ενέργεια μπορεί να ανακλάται σε όρια όπου αλλάζουν οι ηλεκτρικές ιδιότητες του υπεδάφους και όχι οι μηχανικές του ιδιότητες, όπως συμβαίνει με τη σεισμική ενέργεια.

Η ηλεκτρική αγωγιμότητα του εδάφους, η εκπεμπόμενη κεντρική συχνότητα και η ακτινοβολούμενη ισχύς μπορεί να περιορίσουν το πραγματικό εύρος βάθους της έρευνας GPR. Οι αυξήσεις στην ηλεκτρική αγωγιμότητα εξασθενούν το εισαγόμενο ηλεκτρομαγνητικό κύμα και έτσι το βάθος διείσδυσης μειώνεται. Λόγω των μηχανισμών εξασθένησης που εξαρτώνται από τη συχνότητα, οι υψηλότερες συχνότητες δεν διεισδύουν τόσο όσο οι χαμηλότερες συχνότητες. Ωστόσο, οι υψηλότερες συχνότητες ενδέχεται να παρέχουν βελτιωμένη ανάλυση. Επομένως, η συχνότητα λειτουργίας είναι πάντα μια αντιστάθμιση μεταξύ ανάλυσης και διείσδυσης. Το βέλτιστο βάθος διείσδυσης στο υπέδαφος επιτυγχάνεται σε πάγο, όπου το βάθος μπορεί να φτάσει αρκετές χιλιάδες μέτρα (έως την κλίνη-βράχο στη Γροιλανδία) σε χαμηλές συχνότητες GPR. Τα ξηρά αμμώδη εδάφη ή τα τεράστια ξηρά υλικά όπως ο γρανίτης, ο ασβεστόλιθος και το σκυρόδεμα τείνουν να είναι ανθεκτικά και μη αγώγιμα και το βάθος διείσδυσης μπορεί να είναι έως και  . Ωστόσο, σε υγρά ή αργιλούχα εδάφη και υλικά με υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα, η διείσδυση μπορεί να είναι μόλις μερικά εκατοστά.

Οι κεραίες ραντάρ που διεισδύουν στο έδαφος έρχονται γενικά σε επαφή με το έδαφος για την ισχυρότερη ισχύ σήματος. Ωστόσο, μπορούν να χρησιμοποιηθούν πάνω από το έδαφος αερομεταφερόμενες κεραίες GPR. Το GPR διατρήσεων γεώτρησης έχει αναπτυχθεί στον τομέα της υδρογεωφυσικής ως πολύτιμο μέσο για την αξιολόγηση της παρουσίας και της ποσότητας του νερού εδάφους  .

Ιστορία 
Το πρώτο δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για σύστημα σχεδιασμένο να χρησιμοποιεί ραντάρ συνεχών κυμάτων για τον εντοπισμό θαμμένων αντικειμένων υποβλήθηκε από τους Gotthelf Leimbach και Heinrich Löwy το 1910, έξι χρόνια μετά το πρώτο δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για το ίδιο το ραντάρ (πατέντα DE 237 944). Το δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για σύστημα που χρησιμοποιεί παλμούς ραντάρ, αντί για συνεχές κύμα, κατατέθηκε το 1926 από τον Δρ. Hülsenbeck (DE 489 434), οδηγώντας σε βελτιωμένη ανάλυση βάθους. Μετρήθηκε το βάθος ενός παγετώνα  με χρήση ραντάρ υπεδάφους το 1929 από τον W. Stern.

Οι περαιτέρω εξελίξεις στον τομέα ήταν λιγοστές μέχρι τη δεκαετία του 1970, όταν οι στρατιωτικές εφαρμογές άρχισαν να καθοδηγούν την έρευνα. Ακολούθησαν εμπορικές εφαρμογές και ο πρώτος προσιτός οικονομικά εξοπλισμός πουλήθηκε το 1975

Το 1972, η αποστολή Apollo 17 μετέφερε ραντάρ διείσδυσης εδάφους το επονομαζόμενο ALSE (Apollo Lunar Sounder Experiment) σε τροχιά γύρω από τη Σελήνη. Ήταν σε θέση να καταγράψει πληροφορίες βάθους έως και 1,3 χλμ και αποτύπωσε τα δεδομένα σε φιλμ, λόγω της έλλειψης κατάλληλης αποθήκευσης σε υπολογιστή εκείνη την εποχή.

Εφαρμογές 

Το GPR έχει πολλές εφαρμογές σε διάφορους τομείς. Στις γεωεπιστήμες χρησιμοποιείται για τη μελέτη των πετρωμάτων, των εδαφών, των υπόγειων υδάτων και του πάγου. Έχει κάποια χρησιμότητα στην αναζήτηση ψηγμάτων χρυσού και αδάμαντα σε προσχωσιγενή ιζήματα, με την εύρεση φυσικών παγίδων σε θαμμένες κοίτες ρεμάτων που έχουν τη δυνατότητα να συσσωρεύουν βαρύτερα σωματίδια.  

Οι εφαρμογές μηχανικής περιλαμβάνουν μη καταστρεπτικές δοκιμές (NDT) κατασκευών και πεζοδρομίων, εντοπισμό θαμμένων κατασκευών και μελέτη εδαφών και πετρωμάτων. Στην περιβαλλοντική αποκατάσταση, το GPR χρησιμοποιείται για τον καθορισμό χώρων υγειονομικής ταφής, λμολυσματικών πλεγμάτων και άλλων τοποθεσιών αποκατάστασης, ενώ στην αρχαιολογία χρησιμοποιείται για τη χαρτογράφηση αρχαιολογικών χαρακτηριστικών και νεκροταφείων. Το GPR χρησιμοποιείται στην επιβολή του νόμου για τον εντοπισμό μυστικών τάφων και θαμμένων αποδεικτικών στοιχείων. Οι στρατιωτικές χρήσεις περιλαμβάνουν ανίχνευση ναρκών, πυρομαχικών που δεν έχουν εκραγεί και σηράγγων.

Τα ραντάρ γεωτρήσεων που χρησιμοποιούν GPR, χρησιμοποιούνται για τη χαρτογράφηση των δομών από μια γεώτρηση σε εφαρμογές υπόγειας εξόρυξης. Τα σύγχρονα συστήματα ραντάρ κατευθυντικής γεώτρησης είναι σε θέση να παράγουν τρισδιάστατες εικόνες από μετρήσεις σε μία μόνο γεώτρηση.

Στρατιωτική χρήση 
Οι στρατιωτικές εφαρμογές των ραντάρ διείσδυσης εδάφους περιλαμβάνουν την ανίχνευση  πυρομαχικών που δεν έχουν εκραγεί και την ανίχνευση σηράγγων. Σε στρατιωτικές εφαρμογές και άλλες κοινές εφαρμογές GPR, οι ειδικοί χρησιμοποιούν συχνά το GPR σε συνδυασμό με άλλες διαθέσιμες γεωφυσικές τεχνικές όπως η μέθοδος ηλεκτρικής αντίστασης και οι μέθοδοι ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής .

Τον Μάιο του 2020, ο αμερικανικός στρατός παρήγγειλε σύστημα ραντάρ υπεδάφους από την Chemring Sensors and Electronics Systems (CSES), για την ανίχνευση αυτοσχέδιων εκρηκτικών μηχανισμών (IEDs) θαμμένων σε δρόμους.

Εφαρμογές στην αρχαιολογία 
Η έρευνα με ραντάρ εδάφους είναι μια μέθοδος που χρησιμοποιείται στη γεωαρχαιολογία. Το GPR μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση και τη χαρτογράφηση υπόγειων αρχαιολογικών τεχνέργων, χαρακτηριστικών και προτύπων εγκατάστασης.

Η έννοια του ραντάρ είναι γνωστή στους περισσότερους αρχαιολόγους. Με το ραντάρ υπεδάφους, το σήμα του ραντάρ –ένας ηλεκτρομαγνητικός παλμός-   κατευθύνεται στο έδαφος. Τα υπόγεια αντικείμενα και η στρωματογραφία προκαλούν ανακλάσεις που λαμβάνονται από έναν δέκτη. Ο χρόνος διαδρομής του ανακλώμενου σήματος υποδεικνύει το βάθος. Τα δεδομένα μπορούν να απεικονιστούν ως τομές ή κατόψεις που απομονώνουν συγκεκριμένα βάθη ή ως τρισδιάστατα μοντέλα.

Το GPR μπορεί να είναι ένα ισχυρό εργαλείο σε ευνοϊκές συνθήκες (τα ομοιόμορφα αμμώδη εδάφη είναι ιδανικά). Όπως και άλλες γεωφυσικές μέθοδοι που χρησιμοποιούνται στην αρχαιολογία, μπορεί να εντοπίσει τέχνεργα και να χαρτογραφήσει χαρακτηριστικά χωρίς κανέναν κίνδυνο να τα καταστρέψει. Μεταξύ των μεθόδων που χρησιμοποιούνται στην αρχαιολογική γεωφυσική, είναι μοναδική τόσο στην ικανότητά του να ανιχνεύει ορισμένα μικρά αντικείμενα σε σχετικά μεγάλα βάθη, όσο και στην ικανότητά του να διακρίνει το βάθος των πηγών ανωμαλίας.

Το κύριο μειονέκτημα του GPR είναι ότι περιορίζεται σοβαρά από λιγότερο από ιδανικές περιβαλλοντικές συνθήκες. Τα λεπτόκοκκα ιζήματα (άργιλοι και ιλύς) είναι συχνά προβληματικά, επειδή η υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητά τους προκαλεί απώλεια ισχύος σήματος. Τα βραχώδη ή ετερογενή ιζήματα διασκορπίζουν το σήμα GPR, αποδυναμώνοντας το χρήσιμο σήμα, ενώ αυξάνουν τον εξωτερικό θόρυβο.

Στον τομέα της πολιτιστικής κληρονομιάς το GPR με κεραία υψηλής συχνότητας χρησιμοποιείται επίσης για τη διερεύνηση ιστορικών τοιχοποιιών, την ανίχνευση ρωγμών και μοτίβων αποσύνθεσης κιόνων και αποκόλλησης τοιχογραφιών.

Ταφικές θέσεις 
Το γεωραντάρ χρησιμοποιείται, επίσης, από εγκληματολόγους, ιστορικούς και αρχαιολόγους για την αναζήτηση τοποθεσιών ταφής. Στη δημοσίευσή του, Interpreting Ground-penetrating Radar for Archaeology, ο Lawrence Conyers, ο οποίος είναι «ένας από τους πρώτους αρχαιολόγους ειδικούς στο GPR» περιέγραψε τη διαδικασία.  Ο Conyers δημοσίευσε έρευνα χρησιμοποιώντας GPR στο Ελ Σαλβαδόρ το 1996,  στην περίοδο Chaco στην περιοχή Four Corners στη νότια Αριζόνα το 1997,   και σε μια μεσαιωνική τοποθεσία στην Ιρλανδία το 2018. Τον Ιούνιο του 2021, η τεχνολογία GPR χρησιμοποιήθηκε από το Cowessess First Nation στο Σασκάτσουαν για τον εντοπισμό 751 ταφών στην τοποθεσία Marieval Indian Residential School, η οποία λειτουργούσε για έναν αιώνα, έως ότου έκλεισε το 1996.

Οι εξελίξεις στην τεχνολογία GPR που ενσωματώνονται με διάφορες πλατφόρμες μοντελοποίησης λογισμικού 3D, δημιουργούν τρισδιάστατες ανακατασκευές των υπόγειων «σχημάτων και των χωρικών τους σχέσεων». Μέχρι το 2021, αυτό «αναδεικνύεται ως το νέο πρότυπο» στην τεχνολογία ραντάρ υπεδάφους.

Σημειώσεις παραπομπές

Περαιτέρω ανάγνωση 
Γενική επισκόπηση των επιστημονικών εφαρμογών μπορεί να βρεθεί στα:
 
 

Γενική επισκόπηση των γεωφυσικών μεθόδων στην αρχαιολογία μπορεί να βρεθεί στις ακόλουθες μελέτες:

Εξωτερικοί σύνδεσμοι 

 
 
 
 
 

Ραντάρ
Αρχαιολογικές μέθοδοι