Een team van wetenschappers van de Sapienza Universiteit in Rome, Italië, en NASA's Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, Californië, heeft een nieuwe aanpak ontwikkeld om te helpen bij de voortdurende ontwikkeling van tijdige tsunami-detectiesystemen, gebaseerd op metingen van hoe tsunami's een deel van de atmosfeer van de aarde verstoren.

De nieuwe aanpak, genaamd Variometrische benadering voor realtime ionosfeerobservatie, of VARION, gebruikt observaties van GPS en andere wereldwijde navigatiesatellietsystemen (GNSS) om te detecteren, live, verstoringen in de ionosfeer van de aarde in verband met een tsunami. De ionosfeer is de laag van de atmosfeer van de aarde die zich op een afstand van ongeveer 50 tot 621 mijl (80 tot 1, 000 kilometer) boven het aardoppervlak. Het wordt geïoniseerd door zonne- en kosmische straling en is vooral bekend door de aurora borealis (noorderlicht) en aurora australis (zuidlicht).

Wanneer een tsunami zich vormt en over de oceaan beweegt, de toppen en dalen van zijn golven comprimeren en breiden de lucht erboven uit, het creëren van bewegingen in de atmosfeer die bekend staan ​​​​als interne zwaartekrachtgolven. De golvingen van interne zwaartekrachtsgolven worden versterkt als ze omhoog reizen naar een atmosfeer die dunner wordt met de hoogte. Wanneer de golven een hoogte bereiken tussen 186 en 217 mijl (300 tot 350 kilometer), ze veroorzaken waarneembare veranderingen in de dichtheid van elektronen in de ionosfeer. Deze veranderingen kunnen worden gemeten wanneer GNSS-signalen, zoals die van GPS, reizen door deze door de tsunami veroorzaakte verstoringen.

VARION is ontworpen onder leiding van Sapienza's Mattia Crespi. De hoofdauteur van het algoritme is Giorgio Savastano, een promovendus in geodesie en geomatica bij Sapienza en een aangesloten medewerker bij JPL, die de verdere ontwikkeling en validatie van het algoritme heeft uitgevoerd. Het werk werd onlangs geschetst in een door Sapienza en NASA gefinancierd onderzoek gepubliceerd in Nature's Wetenschappelijke rapporten logboek.

in 2015, Savastano ontving een beurs van Consiglio Nazionale degli Ingegneri (CNI) en Italian Scientists and Scholars in North America Foundation (ISSNAP) voor een stage van twee maanden bij JPL, waar hij toetrad tot de Ionospheric and Atmospheric Remote Sensing Group onder toezicht van Attila Komjathy en Anthony Mannucci.

"VARION is een nieuwe bijdrage aan toekomstige geïntegreerde operationele tsunami-waarschuwingssystemen, " zei Savastano. "We zijn momenteel het algoritme aan het opnemen in JPL's Global Differential GPS-systeem, die realtime toegang zal bieden tot gegevens van ongeveer 230 GNSS-stations over de hele wereld die gegevens verzamelen van meerdere satellietconstellaties, inclusief gps, Galileo, GLONASS en BeiDou." Aangezien significante tsunami's zeldzaam zijn, Door VARION uit te voeren met behulp van een verscheidenheid aan realtime gegevens, wordt het algoritme helpen valideren en kan het onderzoek naar deze tsunami-detectiebenadering vooruitgaan.

Savastano zegt dat VARION kan worden opgenomen in ontwerpstudies voor tijdige tsunami-detectiesystemen die gegevens uit verschillende bronnen gebruiken, inclusief seismometers, boeien, GNSS-ontvangers en druksensoren op de oceaanbodem.

Zodra een aardbeving op een specifieke locatie wordt gedetecteerd, een systeem zou kunnen beginnen met het verwerken van realtime metingen van de verdeling van elektronen in de ionosfeer van meerdere grondstations in de buurt van het epicentrum van de aardbeving, zoeken naar veranderingen die mogelijk verband houden met de verwachte vorming van een tsunami. De metingen zouden worden verzameld en verwerkt door een centrale verwerkingsfaciliteit om risicobeoordelingen en kaarten voor individuele aardbevingen te leveren. Het gebruik van meerdere onafhankelijke datatypes zal naar verwachting bijdragen aan de robuustheid van het systeem.

"We verwachten aan te tonen dat het haalbaar is om ionosferische metingen te gebruiken om tsunami's te detecteren voordat ze bevolkte gebieden treffen. " zei Komjathy. "Deze aanpak zal extra informatie toevoegen aan bestaande systemen, aanvulling op andere benaderingen. Andere gevaren kunnen ook worden aangepakt met behulp van realtime ionosferische waarnemingen, inclusief vulkaanuitbarstingen of meteorieten."

Het observeren van de ionosfeer, en hoe het aardse weer eronder aansluit bij de ruimte erboven, blijft een belangrijk aandachtspunt voor NASA. Twee nieuwe missies - de Ionospheric Connection Explorer en de Global-scale Observations of the Limb and Disk - zijn gepland voor begin 2018 om de ionosfeer te observeren, die uiteindelijk een breed scala aan modellen zou moeten verbeteren die worden gebruikt om mensen op de grond en satellieten in de ruimte te beschermen.