[論文レビュー] Low coherency of wind induced seismic noise: Implications for gravitational wave detection

H. Satari, C. D. Blair+6 more|arXiv (Cornell University)|May 9, 2022

Seismic Waves and Analysis参考文献 35被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、オーストラリア西部の重力波検出器施設において、0.06–20 Hz の周波数帯域で風によって誘発される地震ノイズの低コherーンスを定量的に評価し、風の影響により、特に重要な周波数帯域でコヒーレンス長が数百メートルからわずか2–40メートルにまで短縮されることを示した。建物、木、低木に近接した高密度の地震計アレイを用いて、著者らは、この非コヒーレント性がアレイベースの振動隔離およびニュートニアンノイズキャンセレーションの性能を著しく低下させることを明らかにした。特に2 Hzでウィーナーフィルタリングの有効性が5倍も低下しており、次世代検出器の設計において重要な課題を浮き彫りにした。

ABSTRACT

Seismic noise poses challenges for gravitational wave detection. Effective vibration isolation and methods to subtract unsheildable Newtonian Noise are examples. Seismic arrays offer one way to deal with these issues assuming seismic coherency. In this paper we find that wind induced seismic noise is incoherent and will dramatically reduce the projected low frequency sensitivity of future gravitational wave detectors. To quantify this, we measure the coherence length of wind induced seismic noise from 0.06--20~Hz in three distinct locations: close to a building, among tall trees and in shrubs. We show that wind induced seismic noise is ubiquitous and reduces the coherence lengths form several hundred meters to 2--40~m for 0.06--0.1~Hz, from $>$60~m to 3--16~m for 1.5--2.5~Hz and from $>$35~m to 1--16~m around 16.6 Hz frequency bands in the study area. This leads to significant loss of velocity and angular resolution of the array for primary microseism, 5 times worse Newtonian Noise cancellation by wiener filtering at 2~Hz, while it does not pose additional challenge for Newtonian Noise cancellation between 10--20~Hz.

研究の動機と目的

• 重力波検出器施設における0.06–20 Hz の周波数帯域で風によって誘発される地震ノイズのコヒーレンス長を定量すること。
• 風によって誘発される非コヒーレンスが、振動隔離およびニュートニアンノイズキャンセレーションに用いられる地震アレイの性能に与える影響を評価すること。
• 建物、木、低木といった局所的な地表面特徴が、風によって誘発される地震ノイズのコヒーレンスに与える影響を評価すること。
• ウィーナーフィルタリングを含む、既存のアレイベースの低減手法が、風の強い条件下でも有効に機能するかどうかを検証すること。

提案手法

• 建物の近く、高い木々の間、低木の群生地にそれぞれ配置された3つのサブアレイを有する高密度地震計アレイの設置。
• 同じ位置に設置された地震計間の相互スペクトル密度およびコヒーレンス関数を用いた地震コヒーレンス長の測定。
• 0.06–0.1 Hz、1.5–2.5 Hz、16.55–16.66 Hz の3つの周波数バンドで、風の強い状態と風の弱い状態の両方におけるコヒーレンス長の比較。
• パイロットスタディからのビームフォーミングおよびスペクトル解析を活用し、風と相関する地震ノイズを同定し、アレイ構成の最適化を支援。
• さまざまなコヒーレンス状態を想定して、ウィーナーフィルタリングを適用し、ニュートニアンノイズキャンセレーションの性能をシミュレート。
• 風速と地面の振動の相関を分析し、風速をノイズ削減の代理指標として用いる可能性を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 風によって誘発される地震ノイズは、重力波検出に重要な周波数帯域（0.06–20 Hz）において、地面の振動のコヒーレンス長にどのように影響を与えるか？
• RQ2 建物、木、低木といった局所的な地表面特徴は、風によって誘発される地震ノイズのコヒーレンスにどのような影響を与えるか？
• RQ3 風によって誘発される非コヒーレンスは、ウィーナーフィルタリングによるニュートニアンノイズキャンセレーションの性能をどの程度低下させるか？
• RQ4 低周波数帯（10 Hz未満）では高周波数帯（10–20 Hz）に比べ、風による非コヒーレンスの影響が顕著に顕在するか？
• RQ5 風速の測定値は、アレイベースのシステムにおける風によって誘発される地震ノイズの削減に実用的な代理指標として機能するか？

主な発見

• 0.06–0.1 Hz 帯域では、風の影響によりコヒーレンス長が数100メートルから2–40メートルに短縮され、アレイの分解能が著しく制限される。
• 1.5–2.5 Hz 帯域では、コヒーレンス長が60メートル以上から3–16メートルに低下し、2 Hzでウィーナーフィルタリングの有効性が5倍も低下する。
• 16.6 Hz では、コヒーレンス長が35メートル以上から1–16メートルに減少するが、建物の遮断効果と短波長の特性により影響が緩和される。
• 非コヒーレンスは特に植生が豊富な地域（木や低木）で顕著であり、建物よりもコヒーレンスをより強く低下させる。
• 10–20 Hz 帯域では、短波長と建物による効果的なシールドのため、風によるノイズがニュートニアンノイズキャンセレーションに顕著に悪影響を及ぼさない。
• 本研究は、風によって誘発される地震ノイズが極めて局所的な現象であり、コヒーレンス長が表面の物体への近接度および風況に強く依存することを確認した。