地震在地球上层大气中产生涟漪效应，这可能会干扰我们依赖的卫星通信和导航系统。科学家们现在利用日本广泛的全球导航卫星系统 (GNSS) 接收器网络，创建了由2024年能登半岛地震引起的大气扰动的首个3D图像。研究结果以独特的3D细节展示了声波扰动模式，并提供了新的见解，揭示了地震如何产生这些波动。结果发表在期刊《地球、行星与空间》上。
地震在地球上层大气中产生涟漪效应，这可能会干扰我们依赖的卫星通信和导航系统。名古屋大学的科学家及其合作者利用日本广泛的全球导航卫星系统 (GNSS) 接收器网络，创建了由2024年能登半岛地震引起的大气扰动的首个3D图像。研究结果以独特的3D细节展示了声波扰动模式，并提供了新的见解，揭示了地震如何产生这些波动。结果发表在期刊《地球、行星与空间》上。
映射电离层中的电子密度
日本拥有超过4500个GNSS接收器，构成了世界上最稠密的网络之一。这些接收器有助于精确定位跟踪，还可以检测到电离层中某个区域的变化。由名古屋大学空间-地球环境研究所 (ISEE) 的傅伟政博士和大冢祐一教授领导的研究团队捕捉到了2024年1月1日在日本石川县发生的7.5级能登半岛地震后电离层中电子密度变化的详细3D结构。
当卫星信号穿过电离层时，由于无线电波与带电粒子相互作用，信号会减速。通过测量信号减速的程度，科学家可以计算信号路径中电子的数量，并映射总电子含量。映射这些电子使他们能够有效地探测和监测电离层的状态。
在地震发生后约10分钟，地震产生的声波向上穿过大气层，并到达电离层（地球上方60-1000公里）。这造成了类似于在水塘里投石子产生的涟漪扰动。
为了构建波模式的3D模型，研究人员使用了一种称为“断层成像”的技术——类似于CT扫描如何创建人体的3D图像。他们从成千上万的接收器收集了关于电子数量的数据，这些接收器跟踪来自不同角度的卫星信号。通过在地震后不同时间跟踪他们的3D模型，他们创建了电子密度变化的时间序列。
声波来自整个断层，而不是单个点
在震中南侧，研究人员观察到一个倾斜的声波模式，随着时间的推移逐渐变得更加垂直。当地震产生的声波向上穿过大气层时，波的上部移动速度快于下部。这使得波前在移动时倾斜或倾斜。随着时间的推移，倾斜的模式逐渐变直，形成更垂直的对齐。
研究人员首次详细可视化了在地震事件期间倾斜角度随时间变化的情况。他们以前所未有的细节跟踪了倾斜波模式逐渐变直的过程。以前的模型假设所有声波来自地震中心的单个点。虽然这与他们的一些观察结果一致，但无法解释他们在3D图像中看到的复杂、不均匀的波模式。
为了理解这一点，他们在模型中包含了沿断层线的多个波源的数据，假设断层的一些部分在初次破裂后约30秒钟内产生波。结果更好地符合他们的实际观察，并显示地震并不是仅从一个点产生大气波，而是从整个断层沿不同部分随时间破裂产生多个点。 这解释了观察到的大气扰动（如倾斜波）为何比以前简单模型预测的更复杂。
“通过包括多个分布式源和时间延迟，我们改进的模型提供了关于这些波如何在上层大气中传播的更准确的表示，”大冢教授强调道。
傅伟政博士（首席作者）补充道：“电离层中的扰动可能干扰卫星通信和定位精度。如果我们对这些模式有更好的理解，我们可以提高在地震期间和之后保护敏感技术的能力，并增强类似自然事件的提前警报系统。”
展望未来，研究人员正在努力将他们的模型应用于其他自然事件，如火山爆发、海啸和极端天气事件。
