Forskare har utvecklat ett globalt jordbävningsövervakningssystem som använder Global Navigational Satellite System (GNSS) för att mäta jordskorpans deformation.

Övervakningssystemet kan inom några sekunder snabbt bedöma jordbävningens magnitud och felglidningsfördelning för jordbävningar av magnituden 7,0 och större, vilket gör det till ett potentiellt värdefullt verktyg vid tidig varning för jordbävningar och tsunami för dessa skadliga händelser, Central Washington University geofysiker Timothy Melbourne och kollegor rapporterar i Bulletin från Seismological Society of America .

GNSS kan potentiellt karakterisera en stor jordbävning mycket snabbare än det globala seismiska nätverket, erbjuda mer tid för evakueringar, släpp-och-täck och automatisk avstängning av viktig infrastruktur. "Nödvändigheten för att göra det snabbt handlar verkligen om att rädda liv, sa Melbourne.

GNSS-system består av satelliter som kretsar runt jorden som skickar signaler till mottagarstationer på jorden. Signalerna används för att bestämma mottagarnas exakta positioner över tiden. Jordbävningar rör sig och deformerar jordskorpan under mottagarna, så förändringar i deras lägen efter en jordbävning kan användas för att övervaka och karakterisera brotten.

Seismisk övervakning av GNSS är ett "mycket trubbigt verktyg, " jämfört med seismometerbaserade nätverk som kan detektera små seismiska vågor, Melbourne sa.

En top-of-the-line seismometer är anmärkningsvärt känslig, han noterade, kan detektera seismiska våghastigheter så små som tiotals nanometer per sekund.

GNSS är mer grovt, detekterar endast förskjutningar på centimeter eller större.

Under en stor jordbävning, dock, det finns en avvägning mellan känslighet och hastighet. Lokala seismiska nätverk kan översvämmas med data under en stor, komplex händelse som jordbävningen i Kaikoura 2016 med magnituden 7,8 i Nya Zeeland, där flera fel är inblandade och vågor från den initiala händelsen ekar genom skorpan. För att noggrant bestämma storlek och felslirfördelning, Seismologer måste vanligtvis vänta på att seismiska vågdata ska nå avlägsna stationer innan de kan karakteriseras korrekt, vilket innebär tiotals minuters fördröjning medan vågorna fortplantar sig över planeten.

Det globala systemet som Melbourne och hans kollegor skapat är det första i sitt slag. Den tar in rå GNSS-data som erhållits från vilken internetansluten mottagare som helst på jorden, placerar dessa data, och sedan återsänder den positionerade datan tillbaka till valfri internetansluten enhet, inom en sekund.

Forskarna utvärderade sitt system under en typisk vecka, använder data från 1270 mottagarstationer över hela världen. De fann att den genomsnittliga tiden det tog data att resa från en mottagare till bearbetningscentret vid Central Washington University var ungefär en halv sekund – från var som helst i världen. Det tog i genomsnitt cirka en till 200:e sekund att konvertera dessa data till uppskattningar av GNSS-position.

Detta innebär att GNSS globala övervakningssystem kan upptäcka förändringar långt innan själva jordbävningen bryts, eftersom det kan ta tiotals sekunder – eller till och med minuter för de största jordbävningarna – "för felet att packa upp och utstråla all energi till planeten, sa Melbourne.

Hastigheten hos ett globalt GNSS seismiskt övervakningssystem kan vara ännu viktigare för tsunamivarningar, noterade han. Just nu, ett internationellt övervakningsprogram använder data från ett globalt seismiskt nätverk för att bestämma en jordbävnings magnitud, kombinerat med data från globala tidvattensmätare och bojar som detekterar en tsunamivåg i det öppna havet, för att avgöra om en tsunamirådgivning ska skickas till allmänheten.

Det seismiska nätverket kan ta 15 minuter eller mer att fastställa storleken på en jordbävning som orsakar en tsunami, sa Melbourne, och tidvattenmätarna och bojarna kan ta upp till en timme att leverera data, beroende på deras närhet till jordbävningen. GNSS-mottagare, å andra sidan, skulle kunna karakterisera en jordbävning på tiotals sekunder med tillräckligt många närliggande stationer.

"GNSS verkliga kraft för tsunamin är att köpa mer tid och större noggrannhet från start för varningarna som kommer ut, sa Melbourne.

GNSS-mottagarstationer sprider sig över hela världen när fler människor använder dem, speciellt för lantmäteri eller övervakning inom gruvdrift och anläggning. Men det globala GNSS-övervakningssystemet är beroende av öppen källkod, som inte har expanderat i samma takt. I vissa länder, data säljs för att täcka kostnaderna för att bygga och underhålla mottagare, Melbourne sa, vilket gör deras operatörer ovilliga att göra uppgifterna fritt tillgängliga.

"En del av det jag gör är att försöka få länder i seismiskt aktiva områden att öppna upp sina datauppsättningar för att minska riskerna, sa Melbourne.

Till exempel, GNSS-operatörer i Nya Zeeland, Ecuador, Chile och på andra håll samarbetar med Melbournes grupp, dra nytta av det decennium av arbete som teamet har lagt ner i sitt GNSS-positioneringssystem. De skickar rådata från mottagare i sina länder till centrala Washington, där Melbourne och kollegor placerar data inom en global referensram och skickar tillbaka den inom några sekunder för vidare forskning och övervakning.