[论文解读] Atmosphere-Ionosphere Response to the M9 Tohoku Earthquake Revealed by Joined Satellite and Ground Observations. Preliminary results

Dimitar Ouzounov, С. А. Пулинец+6 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2011

Earthquake Detection and Analysis参考文献 23被引用 18

一句话总结

本研究结合卫星与地面观测数据，调查了M9级东北大地震前的大气与电离层异常。研究发现，自2011年3月8日起，向外长波辐射（OLR）、GPS反演的总电子含量（TEC）以及电离层测高仪foF2值显著增加，表明地震前电离层与大气扰动与即将发生的地震存在正相关关系。

ABSTRACT

The recent M9 Tohoku Japan earthquake of March 11, 2011 was the largest recorded earthquake ever to hit this nation. We retrospectively analyzed the temporal and spatial variations of four different physical parameters - outgoing long wave radiation (OLR), GPS/TEC, Low-Earth orbit tomography and critical frequency foF2. These changes characterize the state of the atmosphere and ionosphere several days before the onset of this earthquake. Our first results show that on March 8th a rapid increase of emitted infrared radiation was observed from the satellite data and an anomaly developed near the epicenter. The GPS/TEC data indicate an increase and variation in electron density reaching a maximum value on March 8. Starting on this day in the lower ionospheric there was also confirmed an abnormal TEC variation over the epicenter. From March 3-11 a large increase in electron concentration was recorded at all four Japanese ground based ionosondes, which return to normal after the main earthquake. We found a positive correlation between the atmospheric and ionospheric anomalies and the Tohoku earthquake. This study may lead to a better understanding of the response of the atmosphere /ionosphere to the Great Tohoku earthquake

研究动机与目标

• 利用多仪器数据，研究M9级东北大地震前潜在的大气与电离层前兆现象。
• 确定OLR、TEC及电离层测高仪参数的异常是否与即将发生的地震相关。
• 评估主震发生前几天电离层扰动的空间与时间演变特征。
• 评估不同观测平台（卫星与地面）之间异常的一致性。
• 通过多源数据融合，为基于电离层的地震预测方法发展提供支持。

提出的方法

• 利用卫星获取的向外长波辐射（OLR）数据，探测地震前大气中的热异常。
• 分析全球定位系统（GPS）总电子含量（TEC）数据，监测电离层电子密度的变化。
• 应用低地球轨道（LEO）卫星层析成像技术，重建电离层三维电子密度结构。
• 处理地面电离层测高仪数据，监测日本四个站点的临界频率（foF2）变化。
• 进行时空相关性分析，将OLR、TEC与foF2的异常与震中区域关联。
• 初步结果与地震发生时间与位置进行验证，重点关注2011年3月3日至11日期间。

实验结果

研究问题

• RQ1 M9级东北大地震前，是否观测到通过OLR测量的大气热异常？
• RQ2 主震前几天，电离层TEC值是否存在显著偏离？
• RQ3 地面电离层测高仪是否在地震前于震中附近检测到异常的foF2值？
• RQ4 大气与电离层异常是否与即将发生的地震事件保持一致的时空相关性？
• RQ5 多仪器观测能否揭示大地震前电离层响应的连贯性？

主要发现

• 2011年3月8日，卫星数据显示，在东北大地震震中附近，向外长波辐射（OLR）出现快速上升。
• GPS/TEC数据显示，2011年3月8日，震中区域电子密度显著增加，达到峰值。
• 日本四个站点的电离层测高仪测量显示，2011年3月3日至11日期间，临界频率（foF2）大幅上升，主震后恢复至正常水平。
• 自2011年3月8日起，震中上空低电离层的异常TEC变化得到确认。
• 观测到的大气与电离层异常与M9级东北大地震的发生之间存在正相关关系。
• 卫星与地面观测的结合揭示了多个物理参数中一致的地震前扰动，表明电离层可能对即将发生的地震作出响应。