Ett team av forskare från Sapienza University i Rom, Italien, och NASAs Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Kalifornien, har utvecklat ett nytt tillvägagångssätt för att hjälpa till med den pågående utvecklingen av tidiga tsunamidetekteringssystem, baserat på mätningar av hur tsunamier stör en del av jordens atmosfär.

Det nya tillvägagångssättet, kallad variometrisk metod för Ionosfärobservation i realtid, eller VARION, använder observationer från GPS och andra globala navigationssatellitsystem (GNSS) för att upptäcka, i realtid, störningar i jordens jonosfär i samband med en tsunami. Jonosfären är lagret av jordens atmosfär som ligger från cirka 50 till 621 mil (80 till 1, 000 kilometer) över jordens yta. Den joniseras av sol- och kosmisk strålning och är mest känd för aurora borealis (norrsken) och aurora australis (södra ljus).

När en tsunami bildas och rör sig över havet, topparna och dalarna i dess vågor komprimerar och sträcker ut luften ovanför dem, skapa rörelser i atmosfären som kallas inre tyngdkraftsvågor. Böljningarna av inre gravitationsvågor förstärks när de färdas uppåt till en atmosfär som blir tunnare med höjden. När vågorna når en höjd av mellan 300 till 350 kilometer, de orsakar påvisbara förändringar i elektronernas densitet i jonosfären. Dessa förändringar kan mätas när GNSS signalerar, som GPS:er, resa genom dessa tsunami-inducerade störningar.

VARION designades under ledning av Sapienzas Mattia Crespi. Algoritmens huvudförfattare är Giorgio Savastano, en doktorand i geodesi och geomatik vid Sapienza och en anställd på JPL, som genomförde vidareutveckling och validering av algoritmen. Arbetet beskrevs nyligen i en Sapienza- och NASA-finansierad studie publicerad i Nature's Vetenskapliga rapporter tidning.

År 2015, Savastano tilldelades en stipendium av Consiglio Nazionale degli Ingegneri (CNI) och italienska forskare och forskare i North America Foundation (ISSNAP) för en två månaders praktik på JPL, där han gick med i Ionospheric and Atmospheric Remote Sensing Group under överinseende av Attila Komjathy och Anthony Mannucci.

"VARION är ett nytt bidrag till framtida integrerade operativa system för tidiga varningar för tsunami, "sa Savastano." Vi håller för närvarande på att integrera algoritmen i JPL:s Global Differential GPS System, som ger realtidsåtkomst till data från cirka 230 GNSS-stationer runt om i världen som samlar in data från flera satellitkonstellationer, inklusive GPS, Galileo, GLONASS och BeiDou. "Eftersom betydande tsunamier är sällsynta, att utöva VARION med hjälp av en mängd olika realtidsdata hjälper till att validera algoritmen och avancera forskning om denna metod för detektering av tsunami.

Savastano säger att VARION kan ingå i designstudier för tidiga tsunamidetekteringssystem som använder data från en mängd olika källor, inklusive seismometrar, bojar, GNSS-mottagare och havsbotten-trycksensorer.

När en jordbävning detekterats på en specifik plats, ett system kan börja bearbeta realtidsmätningar av fördelningen av elektroner i jonosfären från flera markstationer som ligger nära skalvets epicentrum, söka efter förändringar som kan korreleras med den förväntade bildningen av en tsunami. Mätningarna skulle samlas in och bearbetas av en central bearbetningsanläggning för att tillhandahålla riskbedömningar och kartor för enskilda jordbävningshändelser. Användningen av flera oberoende datatyper förväntas bidra till systemets robusthet.

"Vi förväntar oss att visa att det är möjligt att använda jonosfäriska mätningar för att upptäcka tsunamier innan de påverkar befolkade områden, "sa Komjathy." Detta tillvägagångssätt kommer att lägga till ytterligare information till befintliga system, kompletterar andra tillvägagångssätt. Andra faror kan också riktas med hjälp av jonosfäriska observationer i realtid, inklusive vulkanutbrott eller meteoriter. "

Observera jonosfären, och hur markväder under det gränsar till rymden ovanför, fortsätter att vara ett viktigt fokus för NASA. Två nya uppdrag-Ionospheric Connection Explorer och Global Observations of the Limb and Disk-planeras starta i början av 2018 för att observera jonosfären, vilket i slutändan borde förbättra ett brett utbud av modeller som används för att skydda människor på marken och satelliter i rymden.