Rumbaseret system kan give seismisk overvågning af store jordskælv og tsunamier

Forskere har udviklet et globalt jordskælvsovervågningssystem, der bruger Global Navigational Satellite System (GNSS) til at måle jordskælvsdeformation.

Overvågningssystemet kan inden for få sekunder hurtigt vurdere jordskælvets størrelse og fejlglidningsfordeling for jordskælv af størrelsesorden 7,0 og større, gør det til et potentielt værdifuldt værktøj til tidlig varsling af jordskælv og tsunami for disse skadelige begivenheder, Central Washington University geofysiker Timothy Melbourne og kolleger rapporterer i Bulletin fra Seismological Society of America .

GNSS kan potentielt karakterisere et stort jordskælv meget hurtigere end det globale seismiske netværk, giver mere tid til evakueringer, drop-and-cover og automatisk nedlukning af væsentlig infrastruktur. "Det nødvendige for at gøre det hurtigt handler i virkeligheden om at redde liv, " sagde Melbourne.

GNSS-systemer består af satellitter, der kredser om jorden, og som sender signaler til modtagerstationer på Jorden. Signalerne bruges til at bestemme modtagernes nøjagtige placering gennem tiden. Jordskælv bevæger sig og deformerer jordskorpen under modtagerne, så ændringer i deres placeringer efter et jordskælv kan bruges til at overvåge og karakterisere brud.

Seismisk overvågning af GNSS er et "meget stumpt værktøj, " sammenlignet med seismometer-baserede netværk, der er i stand til at detektere små seismiske bølger, sagde Melbourne.

Et top-of-the-line seismometer er bemærkelsesværdigt følsomt, han bemærkede, i stand til at detektere seismiske bølgehastigheder så små som titusinder af nanometer i sekundet.

GNSS er mere grov, registrerer kun forskydninger på centimeter eller større.

Under et stort jordskælv, imidlertid, der er en afvejning mellem følsomhed og hastighed. Lokale seismiske netværk kan oversvømmes med data under en stor, kompleks begivenhed såsom jordskælvet Kaikoura i 2016 med en styrke på 7,8 i New Zealand, hvor flere fejl er involveret og bølger fra den indledende begivenhed giver genlyd gennem skorpen. For nøjagtigt at bestemme størrelsen og fejlslipfordelingen, seismologer skal normalt vente på, at de seismiske bølgedata når fjerntliggende stationer, før de kan karakteriseres nøjagtigt, hvilket involverer ti minutters forsinkelse, mens bølgerne forplanter sig over planeten.

Det globale system skabt af Melbourne og hans kolleger er det første af sin slags. Det tager rå GNSS-data indhentet fra enhver internetforbundet modtager på Jorden, placerer disse data, og sender derefter de positionerede data tilbage til enhver internetforbundet enhed, inden for et sekund.

Forskerne vurderede deres system over en typisk uge, ved hjælp af data fra 1270 modtagerstationer over hele verden. De fandt ud af, at den gennemsnitlige tid, det tog data at rejse fra en modtager til behandlingscentret ved Central Washington University, var omkring et halvt sekund – fra hvor som helst i verden. Det tog i gennemsnit omkring en-200-dele af et sekund at konvertere disse data til estimater af GNSS-position.

Det betyder, at det globale GNSS-overvågningssystem kan registrere ændringer i god tid før selve jordskælvet er færdig med at bryde, da det kan tage titusinder af sekunder - eller endda minutter for de største jordskælv - "for fejlen at pakke ud og udstråle al den energi ind i planeten, " sagde Melbourne.

Hastigheden af ​​et globalt GNSS seismisk overvågningssystem kan være endnu vigtigere for tsunamiadvarsler, bemærkede han. I øjeblikket, et internationalt overvågningsprogram bruger data fra et globalt seismisk netværk til at bestemme et jordskælvs størrelse, kombineret med data fra globale tidevandsmålere og bøjer, der registrerer en tsunamibølge i det åbne hav, at afgøre, om en tsunami-advisering skal sendes til offentligheden.

Det seismiske netværk kan tage 15 minutter eller mere at bestemme størrelsen af ​​et jordskælv, der forårsager en tsunami, sagde Melbourne, og tidevandsmålerne og bøjerne kan tage op til en time at levere data, afhængig af deres nærhed til jordskælvet. GNSS-modtagere, på den anden side, kunne karakterisere et jordskælv på ti sekunder med tilstrækkelige stationer i nærheden.

"GNSS'ens virkelige kraft for tsunamien er at købe mere tid og større nøjagtighed fra starten af ​​de advarsler, der kommer ud, " sagde Melbourne.

GNSS-modtagerstationer spreder sig rundt om i verden, efterhånden som flere mennesker bruger dem, især til opmåling eller overvågning i minedrift og byggeri. Men det globale GNSS-overvågningssystem afhænger af open source-data, som ikke er vokset i samme takt. I nogle lande, data sælges for at dække omkostningerne ved at konstruere og vedligeholde modtagerne, Melbourne sagde, gør deres operatører tilbageholdende med at gøre dataene frit tilgængelige.

"En del af det, jeg gør, er at forsøge at få lande i seismisk aktive områder til at åbne deres datasæt med henblik på farebegrænsning, " sagde Melbourne.

For eksempel, GNSS-operatører i New Zealand, Ecuador, Chile og andre steder samarbejder med Melbournes gruppe, drage fordel af det årti af arbejde, som teamet har lagt i deres GNSS-positioneringssystem. De sender rådata fra modtagere i deres lande til det centrale Washington, hvor Melbourne og kolleger placerer dataene inden for en global referenceramme og sender dem tilbage inden for få sekunder til yderligere forskning og overvågning.