Afbeelding tegoed: ESA
Toen een krachtige aardbeving een jaar geleden in Alaska de grond schudde, veroorzaakte het ook een aardbeving in de atmosfeer. De ionosfeer begint op 75 km en gaat tot 1.000 km hoogte en versterkt elke storing die zich op de grond eronder voordoet - een millimeter verstoring op de grond kan een oscillatie van 100 meter op 75 km hoogte worden. Dit geeft wetenschappers een nieuw hulpmiddel om aardbevingen over de hele wereld te volgen.
Een door ESA gesteunde studie heeft bevestigd dat een gewelddadige aardbeving die de snelwegen in Alaska heeft gekraakt, de lucht en het land deed trillen.
Dit feit zou kunnen helpen bij het verbeteren van technieken voor aardbevingsdetectie in gebieden zonder seismische netwerken, waaronder de oceaanbodem.
Een team van het Institut de Physique du Globe de Paris en het California Institute of Technology heeft met succes gebruikgemaakt van de satellietpositionering van het Global Positioning System (GPS) om verstoringen in de ionosfeer in kaart te brengen na de aardbeving met een kracht van 7,9 in november in Denali, Alaska.
Hun paper is gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Geophysical Research Letters. Het onderzoek zelf werd uitgevoerd ter ondersteuning van ESA's proefproject voor ruimteweertoepassingen, gericht op het ontwikkelen van operationele bewakingssystemen voor ruimtecondities die het leven hier op aarde kunnen beïnvloeden.
De ionosfeer is een atmosferisch gebied gevuld met geladen deeltjes dat de aarde bedekt tussen hoogtes van ongeveer 75 tot 1000 km. Het heeft een opmerkelijk vermogen om te interfereren met de radiogolven die zich erdoor verspreiden.
In het bijzonder geval van GPS-navigatiesignalen, ontvangen op aarde van satellieten in een baan, fluctuaties in de ionosfeer? bekend als ‘ionosferische scintillaties’ - kunnen signaalvertragingen, navigatiefouten of in extreme gevallen enkele uren service-lockouts op bepaalde locaties veroorzaken.
Maar hoewel dergelijke interferentie een ongemak kan zijn voor gewone GPS-gebruikers, is het een zegen voor wetenschappers. Door nog veel kleinere verschuivingen in de voortplantingstijd van het GPS-signaal te meten - veroorzaakt door variaties in lokale elektronendichtheid terwijl het signaal door de ionosfeer gaat - hebben onderzoekers een middel binnen handbereik om ionosferische schommelingen in bijna realtime in kaart te brengen.
Het Franse en Amerikaanse team maakten gebruik van dichte netwerken van honderden vaste GPS-ontvangers in heel Californië. Deze netwerken zijn oorspronkelijk opgezet om kleine grondbewegingen als gevolg van geologische activiteit te meten, maar ze kunnen ook worden gebruikt om de ionosfeerstructuur over drie dimensies en tot in detail te plotten.
Toen de Denali-aardbeving op 3 november 2002 plaatsvond, kreeg het team de kans om deze techniek te gebruiken om een andere onderscheidende eigenschap van de ionosfeer te onderzoeken, het vermogen om te werken als een natuurlijke versterker van seismische golven die over het aardoppervlak bewegen.
Er zijn verschillende soorten seismische golven die de grond bewegen tijdens een aardbeving, de grootste schaal en degene die het grootste deel van de beweging uitvoert, staat bekend als een Rayleigh-golf. Dit type golf rolt langs de grond op en neer en van links naar rechts, net zoals een golf langs de oceaan rolt.
Uit eerder onderzoek is gebleken dat schokgolven van Rayleigh Waves op hun beurt grootschalige verstoringen in de ionosfeer veroorzaken. Een piek-tot-piek verplaatsing van één millimeter op grondniveau kan oscillaties van meer dan 100 meter op een hoogte van 150 km veroorzaken.
Wat het team na de aardbeving in Denali kon doen, was een duidelijk golffront detecteren dat door de ionosfeer bewoog. "Door het netwerk te gebruiken, konden we de voortplanting van de golven observeren", legt co-auteur Vesna Ducic uit. "We kunnen ook het kleine totale elektron-inhoudssignaal scheiden van de zeer grote totale elektron-inhoudsvariaties die verband houden met de dagelijkse variatie van de ionosfeer."
Het team nam een signaal op dat twee tot drie keer groter was dan het geluidsniveau en arriveerde ongeveer 660 tot 670 seconden na de aankomst van Rayleigh Waves op de grond. En omdat er voor elke grondontvanger ongeveer zes GPS-satellieten zichtbaar zijn, konden ze de hoogte van de maximale verstoring berekenen? ongeveer 290 tot 300 km omhoog.
De signalen waren zwak en werden slechts om de 30 seconden bemonsterd, met een maximale resolutie van 50 km en het algehele ruispercentage hoog. Maar het waargenomen ionosferische signaal had een duidelijk patroon dat consistent was met modellen van seismisch gedrag. De hoop is dat de techniek in de toekomst kan worden verbeterd en kan worden gebruikt om aardbevingen op te sporen in gebieden zonder seismische detectoren, zoals de diepe oceaan of in de buurt van eilanden.
“In het kader van Galileo zijn we van plan dit onderzoek te ontwikkelen ,? zei Ducic. “Galileo zal het aantal satellieten verdubbelen en daardoor veel nauwkeurigere kaarten van de ionosfeer mogelijk maken. We kunnen ook voorzien dat Europa een dicht netwerk van Galileo / GPS-stations zal ontwikkelen dat zal deelnemen aan de monitoring van deze verschijnselen.
“ESA heeft samen met het Franse ministerie van Onderzoek en CNES al besloten om een pre-operationeel project genaamd SPECTRE - Service and Products for Ionosphere Electronic Content and Tropospheric Refractive index over Europe from GPS - te financieren, gewijd aan het in hoge resolutie in kaart brengen van de ionosfeer. We zullen zowel Europa als Californië in kaart brengen.
"Deze onderzoeken zullen de DEMETER (Detection of Electro-Magnetic Emissions Transmitted from Earthquake Regions)) van de Franse ruimtevaartorganisatie CNES ondersteunen, die in 2004 zal worden gelanceerd en gewijd is aan de detectie in de ionosfeer van seismische, vulkanische en door de mens veroorzaakte signalen. Deze ESA-activiteiten zullen worden uitgevoerd in het kader van het Space Weather Applications Pilot Project. ”
Het proefproject voor ruimtevaarttoepassingen is een ESA-initiatief dat al is begonnen met de ontwikkeling van een breed scala aan toepassingsgerichte diensten op basis van monitoring van ruimteweer.
De medegefinancierde diensten die in ontwikkeling zijn - waarvan dit project er één is - omvatten ook het voorspellen van verstoringen van energie- en communicatiesystemen, en het vroegtijdig waarschuwen van ruimtevaartexploitanten voor de gevaren van toegenomen zonne- en ruimteweeractiviteiten. De hoop is dat een seismische detectiedienst op basis van ionosferische metingen in de toekomst de bestaande bronnen in Europa en elders kan aanvullen.
Oorspronkelijke bron: ESA News Release
