[論文レビュー] The seismic noise environment of Europa

M. P. Panning, Simon C. Stähler+6 more|arXiv (Cornell University)|May 9, 2017

Seismic Waves and Analysis被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、熱力学的に整合性のある内部構造とGutenberg-Richterスケーリングを用いて、エウロパにおける地震ノイズをモデル化し、潮汐ひび割れと海洋乱流によるノイズレベルを推定する。その結果、大部分のノイズは標準的なジオフォン自己ノイズ以下であるが、より大きな信号は背景ノイズより約50 dB高いことが判明し、ノイズ自己相関は内部構造の制約に役立つ可能性がある。

ABSTRACT

Seismic data will be a vital geophysical constraint on internal structure of Europa if we land instruments on the surface. Quantifying expected seismic activity on Europa both in terms of large, recognizable signals and ambient background noise is important for understanding dynamics of the moon, as well as interpretation of potential future data. Seismic energy sources will likely include cracking in the ice shell and turbulent motion in the oceans. We define a range of models of seismic activity in Europa's ice shell by assuming each model follows a Gutenberg-Richter relationship with varying parameters. A range of cumulative seismic moment release between $10^{16}$ and $10^{18}$ Nm/yr is defined by scaling tidal dissipation energy to tectonic events on the Earth's moon. Random catalogs are generated and used to create synthetic continuous noise records through numerical wave propagation in thermodynamically self-consistent models of the interior structure of Europa. Spectral characteristics of the noise are calculated by determining probabilistic power spectral densities of the synthetic records. While the range of seismicity models predicts noise levels that vary by 80 dB, we show that most noise estimates are below the self-noise floor of high-frequency geophones, but may be recorded by more sensitive instruments. The largest expected signals exceed background noise by $\sim$50 dB. Noise records may allow for constraints on interior structure through autocorrelation. Models of seismic noise generated by pressure variations at the base of the ice shell due to turbulent motions in the subsurface ocean may also generate observable seismic noise.

研究の動機と目的

• 将来のlanderミッションのためのエウロパにおける期待される地震ノイズ環境を定量化すること。
• 氷殻および海洋の動的状態の現実的なモデルを用いて、地震信号の検出可能性を評価すること。
• 地震ノイズがエウロパの内部構造に制約をもたらすかどうかを評価すること。
• 海洋乱流および氷殻の破壊が環境地震ノイズに与える寄与を調査すること。

提案手法

• Gutenberg-Richter関係に基づく地震活動モデルを、異なるb値と地震モーメント放出率を用いて開発する。
• 地球の衛星における潮汐エネルギー散逸を基準に、10^16から10^18 Nm/yrの間のモーメント放出を推定する。
• ランダムな地震カタログを生成し、エウロパの熱力学的に自己整合性のある内部モデルを通じて波動伝播をシミュレートする。
• 数値波動伝播シミュレーションを用いて、合成連続地震ノイズ記録を生成する。
• 確率的パワー周波数スペクトル密度を計算し、合成ノイズの周波数成分を特徴付ける。
• 高周波数ジオフォンの自己ノイズフロアと比較することで、ノイズの検出可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 氷殻の亀裂と海洋乱流によって引き起こされるエウロパにおける地震ノイズレベルの予想される範囲は何か？
• RQ2 Gutenberg-Richterのb値とモーメント放出率でパrameter化された異なる地震活動モデルが、ノイズ振幅にどのように影響を与えるか？
• RQ3 氷殻の下部で海洋圧力変動によって生じる地震ノイズは、感度の高い機器で検出可能か？
• RQ4 地震ノイズの自己相関がエウロパの内部構造をどの程度制約できるか？
• RQ5 予想される最も強い地震信号は、環境ノイズ背景と比べてどの程度か？

主な発見

• 地震活動モデルの範囲により、異なるパrameter化の間で最大80 dBのノイズレベル差が予測される。
• 大部分のシミュレートされたノイズレベルは、高周波数ジオフォンの自己ノイズフロアを下回るため、標準的な機器では検出が限定的であると示唆される。
• 予想される最大の地震信号は、背景ノイズより約50 dB高いことが判明し、感度の高い機器を用いれば検出可能である可能性がある。
• 地震ノイズの自己相関は、エウロパの内部構造に制約をもたらす可能性があり、潜在的なデータ解析手法を提供する。
• 海洋乱流による氷殻下部の圧力変動によって生成されるノイズモデルは、観測可能な地震信号を生じる。
• 本研究では、エウロパにおける潮汐散逸と整合する、妥当な地震モーメント放出範囲（10^16から10^18 Nm/yr）を同定した。