[論文レビュー] Ionospheric total electron content variations observed before earthquakes: Possible physical mechanism and modeling

A. A. Namgaladze, О. В. Золотов+3 more|ArXiv.org|May 20, 2009

Earthquake Detection and Analysis参考文献 20被引用数 24

ひとこと要約

本論文では、全球的および地域的な観測から得られた前兆地震時の電離圏全電子含量（TEC）異常が、地震に起因する東西方向電場によって引き起こされ、F2層で垂直プラズマ漂流を引き起こすものであると提唱している。上層大気モデルを用いて、強い中低緯度地震の前に対応する空間スケールおよび振幅のTEC異常を再現したシミュレーションが行われ、陸域応力と電離圏変動の間の物理的メカニズムを裏付けるものである。

ABSTRACT

The GPS derived anomalous TEC disturbances before earthquakes were discovered in the last years using global and regional TEC maps, measurements over individual stations as well as measurements along individual GPS satellite passes. For strong mid-latitudinal earthquakes the seismo-ionospheric anomalies look like local TEC enhancements or decreases located in the vicinity of the forthcoming earthquake epicenter In case of strong low-latitudinal earthquakes there are effects related with the modification of the equatorial F2-region anomaly: deepening or filling of the ionospheric electron density trough over the magnetic equator. We consider that the most probable reason of the NmF2 and TEC disturbances observed before the earthquakes is the vertical drift of the F2-region ionospheric plasma under the influence of the zonal electric field of seismic origin. To check this hypothesis, the model calculations have been carried out with the use of the Upper Atmosphere Model. The electric potential distribution at the near-epicenter region boundary required for the electric field maintenance has been proposed. The upper atmosphere state, presumably foregone a strong earthquake, has been modeled. The results of the corresponding numerical model calculations have revealed a fine agreement with TEC anomalies observed before strong earthquakes at the middle and low latitudes both in spatial scales and in amplitude characteristics.

研究の動機と目的

• 強い地震の前に対応する電離圏TEC異常の背後にある物理的メカニズムを調査すること。
• 地震由来の電場が測定可能なF2層プラズマの不規則性を引き起こすかどうかを特定すること。
• 実世界のTEC観測と照らし合わせて、仮説を検証すること。
• モデル化された異常と観測された前兆的TEC変動との空間的および振幅的一致性を評価すること。
• 陸域応力と電離圏電子密度変化との因果関係を確立すること。

提案手法

• 上層大気モデルを用いて、地震由来の電場に対する電離圏応答をシミュレートした。
• 震源地近傍の電離圏境界における電位分布をモデル化し、東西方向電場を維持した。
• これらの電場の影響下で、F2層における垂直プラズマ漂流をモデル化した。
• 電位境界条件は、予想される応力誘発電離圏結合に基づいて導出された。
• シミュレーション結果を、グローバルおよび地域的ネットワークからのGPSを用いたTECマップと比較した。
• モデル出力は、観測された前兆的TEC異常との空間スケールおよび振幅の一致について評価された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地震由来の東西方向電場は、電離圏で観測された前兆的TEC異常を説明できるか？
• RQ2 強い地震の前に対応するTEC異常を生成するにあたり、F2層における垂直プラズマ漂流が果たす役割は何か？
• RQ3 電離圏応答の数値シミュレーションは、中低緯度地震の前に対応する実際のTEC観測とどの程度一致するか？
• RQ4 観測されたTEC異常を再現するために、電離圏境界で必要な電位分布は何か？
• RQ5 モデル化された前兆的TEC変動と観測された変動との間に、一貫した空間的および振幅的一致があるか？

主な発見

• モデルのシミュレーションは、観測された前兆的不規則性と類似した空間スケールおよび振幅のTEC異常を再現した。
• 垂直プラズマ漂流を介して、中緯度地震の震源地周辺でTECの増加および減少が成功裏に再現された。
• 低緯度イベントでは、モデルが観測と一致する赤道電離圏クレーターの深まりや満たしの変化を再現した。
• 境界でのシミュレートされた電位分布は、観測された電離圏プラズマ不規則性を生成するのに十分であった。
• モデル化された結果と観測されたTEC異常との一致は、地震由来電場が前兆的電離圏変化を引き起こすという仮説を支持するものである。
• 結果は、強い地震の前に対応する陸域応力と電離圏TEC変動との間の妥当な物理的メカニズムを示している。