Отображение электронной плотности в ионосфере

Располагая более чем 4500 приемниками GNSS, расположенными по всей стране, Япония обладает одной из самых плотных сетей в мире. Эти приемники помогают точно отслеживать местоположение, а также могут обнаруживать изменения в области верхних слоев атмосферы, называемой ионосферой. Исследовательская группа под руководством доктора Вэйчжэн Фу и профессора Юити Оцука из Института космических исследований окружающей среды Земли при Университете Нагои (ISEE) запечатлела подробную трехмерную структуру изменений электронной плотности в ионосфере после землетрясения на полуострове Ното магнитудой 7,5, произошедшего 1 января 2024 года в префектуре Исикава, Япония.

Когда спутниковые сигналы проходят через ионосферу, они замедляются, поскольку радиоволны взаимодействуют с электрически заряженными частицами. Измеряя, насколько замедляются сигналы, ученые могут рассчитать, сколько электронов находится на пути прохождения сигналов, и отобразить общее содержание электронов. Картографирование этих электронов позволяет им эффективно зондировать и контролировать состояние ионосферы.

Примерно через 10 минут после землетрясения генерируемые им звуковые волны поднялись вверх через атмосферу и достигли ионосферы (60-1000 км над Землей). Это создавало рябь, подобную броску камня в пруд.

Чтобы построить 3D-модель волновых паттернов, исследователи использовали метод, называемый "томография" - аналогично тому, как компьютерная томография создает 3D-изображения человеческого тела. Они собрали данные о количестве электронов с тысяч приемников, отслеживающих сигналы со спутников под разными углами. Отслеживая свои 3D-модели в разное время после землетрясения, они создали временной ряд изменения электронной плотности.

Звуковые волны генерируются от целых линий разломов, а не от отдельных точек

К югу от эпицентра исследователи наблюдали наклонную структуру звуковых волн, которая со временем постепенно становилась более вертикальной. Когда землетрясение создает звуковые волны, которые распространяются вверх через атмосферу, верхние части волн движутся быстрее, чем нижние. Это заставляет фронт волны наклоняться при движении. Со временем наклонный рисунок постепенно выпрямляется, становясь более вертикальным.

Исследователи создали первую детальную 3D-визуализацию того, как угол наклона изменяется со временем во время сейсмического события. Они проследили, как наклонные волновые узоры постепенно выпрямлялись с беспрецедентной детализацией. Предыдущие модели предполагали, что все звуковые волны исходили из одной точки в центре землетрясения. Хотя это соответствовало некоторым их наблюдениям, это не могло объяснить сложные, неравномерные волновые паттерны, которые они видели на своих 3D-изображениях.

Чтобы понять это, они включили в свою модель данные от нескольких источников волн вдоль линии разлома, предположив, что некоторые части разлома генерировали волны примерно через 30 секунд после первоначального разрыва. Результаты лучше соответствовали их реальным наблюдениям и показали, что землетрясения создают атмосферные волны не только в одном месте, а скорее в нескольких точках вдоль всего разлома, поскольку различные участки со временем разрушаются. Это объясняет, почему наблюдаемые атмосферные возмущения, такие как наклонные волны, были более сложными, чем предсказывали предыдущие более простые модели.

"Благодаря включению множества распределенных источников и временных задержек наше улучшенное моделирование обеспечивает более точное представление о том, как эти волны распространяются в верхних слоях атмосферы", - подчеркнул профессор Оцука.

"Возмущения в ионосфере могут повлиять на спутниковую связь и точность определения местоположения. Если мы лучше поймем эти закономерности, мы могли бы улучшить нашу способность защищать чувствительные технологии во время и после землетрясений и усовершенствовать системы раннего предупреждения о подобных природных явлениях", - добавил доктор Вэйчжэн Фу, ведущий автор.

Двигаясь вперед, исследователи работают над применением своей модели к другим природным явлениям, таким как извержения вулканов, цунами и суровые погодные явления.