Hvordan jordskjelv og geodetiske data kan bidra til å forstå jordens indre deformasjon

Geofysiske observasjoner og data spiller en nøkkelrolle i å forstå dynamikken til jordens indre og de prosessene som fører til jordskjelv. Geodetiske målinger, som GPS og satellittbaserte teknologier som InSAR (Interferometric Synthetic Aperture Radar), har revolusjonert vår evne til å kartlegge deformasjonene som skjer på jordens overflate før, under og etter et jordskjelv.

Et jordskjelv er et resultat av plutselige brudd eller forskyvninger langs en geologisk feil i jordens skorpe. Når to plater på jordens overflate beveger seg i forhold til hverandre, akkumuleres spenninger som kan frigjøres i form av et jordskjelv. Denne prosessen skjer ofte langs aktive feilsoner som San Andreas-feilen i California, eller Hayward-feilen, som i 2015 ble betraktet som en mulighet for større jordskjelv på grunn av dens direkte tilknytning til andre aktive feilsystemer.

For å forstå hvordan disse jordskjelvene oppstår og utvikler seg, er det essensielt å kombinere ulike data fra både seismiske målinger og geodetiske observasjoner. Geodetiske data, som gir informasjon om forskyvninger på jordens overflate, kan hjelpe forskere med å kartlegge den nøyaktige plasseringen og størrelsen på de geologiske bruddene som forårsaker skjelvene. Dette gir verdifull innsikt i hvilke områder som er mest utsatt for fremtidige hendelser.

InSAR, en teknikk som benytter radarbilder fra satellitter, har vist seg å være svært effektiv i å fange opp små, men viktige forskyvninger i jordens overflate. Denne teknikken gjør det mulig å observere både pre-skjellvolds spenning, som akkumulering av jordens deformasjon før et skjelv, og de post-skjellvolds endringene som skjer etter hendelsen. Ved å analysere tidsserier av disse dataene kan forskere oppdage mønstre som indikerer pågående tektonisk aktivitet eller potensiell jordskjelvaktivitet.

Geodetiske målinger kan også bidra til å identifisere områder med betydelig elastisk deformasjon i jordskorpen, som kan være et tegn på akkumulering av energi før et større jordskjelv. Studier som har brukt geodetiske data fra GPS har vist hvordan forskyvninger på flere millimeter kan skje i løpet av kort tid, noe som gir en forsmak på de enorme krefter som kan slippes løs ved et faktisk jordskjelv. Disse dataene kan også benyttes til å vurdere endringer i jordskorpebevegelser etter at jordskjelvet har skjedd, for å forstå etterskjelv og hvordan stresset sprer seg gjennom jordens indre.

En annen teknikk som har blitt stadig mer populær er tidsserieanalyse av atmosfærisk støy som kan forstyrre radarbildene i InSAR-observasjoner. Ved å ta hensyn til denne støyen kan forskere oppnå mer nøyaktige beregninger av jordens deformasjon og dermed gi et bedre bilde av den faktiske strukturen av en jordskjelvskilde. Denne metodens evne til å skille mellom atmosfærisk støy og jordskorpebevegelser har vært viktig i arbeidet med å skille ut feilaktige data som kan føre til feilaktige konklusjoner om jordskjelvens opprinnelse.

Et av de største teknologiske fremskrittene har vært bruken av syntetiske aperture-radar (SAR) i kombinasjon med geodetiske data for å utføre "slip-inversjoner". Dette innebærer at forskerne bruker både seismiske data (som beskriver de bevegelsene som skjer på dypt nivå) og overflatebevegelser (fra GPS og InSAR) for å få et fullstendig bilde av jordskjelvets mekanisme. Denne metoden gir en mer detaljert forståelse av hvordan bruddene på jordens overflate skjer, hvordan de utvikler seg, og hvordan de påvirker de omkringliggende områdene.

Det er viktig å merke seg at jordskjelv ikke bare oppstår som et resultat av enkle brudd på en enkelt feil. Ofte skjer flere brudd samtidig, og de kan påvirke hverandre på uventede måter. For eksempel, under 2019 Ridgecrest-jordskjelvene i California, viste forskningen at det var flere samtidige brudd som forårsaket en serie med spenningsforandringer. Denne typen forståelse er avgjørende for å forutsi hvordan fremtidige skjelv kan utvikle seg og hvilke områder som kan være mest utsatt for sekundære jordskjelv.

Endringene som skjer etter et jordskjelv, kjent som postseismisk avslapping, er også et viktig område for forskning. For eksempel viser studier fra Nevada-beltet i USA at mantelen under jordskorpen kan bruke tid på å justere seg etter en større hendelse, og det er ofte behov for å ta høyde for slike langsiktige prosesser i modeller for jordskjelvaktivitet. I tillegg er det viktig å forstå hvordan disse prosessene kan forsterke eller hemme risikoen for fremtidige skjelv i samme område.

Hvordan GPS-teknologi kan forandre forståelsen av jordskjelv og geofysiske prosesser

GPS-teknologi har i de senere årene blitt en uunnværlig verktøy i geofysikk, spesielt innen studiet av jordskjelv og jordens bevegelse. Med presis måling av jordens deformasjoner kan forskere overvåke og analysere hendelser som fører til seismisk aktivitet. Denne teknologien har revolusjonert måten vi studerer både små og store bevegelser i jordskorpen, og det har blitt et sentralt verktøy for å forutsi og forstå jordskjelv.

En av de mest interessante anvendelsene av GPS er i studiet av de tidlige fasene av vulkanutbrudd og seismisk aktivitet. En studie av Augustin-vulkanen i Alaska, som ble utløst i januar 2006, illustrerer hvordan GPS-systemer kan fange opp forløpende deformasjoner som skjer før et utbrudd. Ved å analysere GPS-data fra dette området ble forskere i stand til å spore små, men viktige forandringer i jordens overflate, som signaliserte at et utbrudd var nært forestående (Cervelli et al., 2006). Dette åpner for muligheten til å forutsi katastrofer og iverksette tidlige varsler som kan redde liv.

I tillegg til å overvåke vulkansk aktivitet, er GPS også nyttig i studiet av jordskjelv, særlig når det gjelder å analysere hvordan jordens skorpe deformeres under en stor skjelvhendelse. Et eksempel på dette er forskning på tektoniske bevegelser i Alaska, hvor GPS-data har blitt brukt til å kartlegge den langsomme forskyvningen som skjer i områder med stor seismisk aktivitet. Forskerne har oppdaget at disse små, langsomme forskyvningene kan være forløpere for større, mer destruktive jordskjelv (Elliott et al., 2010).

GPS-teknologi har også vist seg å være avgjørende i studiet av langsomme jordskjelv, som de som skjer langs subduksjonssonene i sørøst-Alaska. Disse langsomme skjelvene kan være nesten usynlige på tradisjonelle seismografer, men GPS-systemer er i stand til å oppdage små, men betydelige, bevegelser i jordens skorpe over tid. Dette gir oss en mer nyansert forståelse av de geofysiske prosessene som skjer under jordens overflate (Fu & Freymueller, 2013). I denne sammenhengen spiller GPS en viktig rolle ved å fange opp de små og gradvise deformasjonene som skjer over lang tid, noe som kan være avgjørende for å forstå de fundamentale kreftene som driver jordens tektoniske aktivitet.

Videre har GPS-teknologi blitt brukt til å studere fenomenet kjent som "silent slip," eller stille glidning, som har blitt observert på dyphavsbunnen i Cascadia-subduksjonsbeltet. Dette er en prosess hvor en stor tektonisk plate beveger seg sakte, men uten å forårsake umiddelbare jordskjelv. GPS har muliggjort presis måling av disse langsomme bevegelsene og gir forskerne verdifull informasjon om jordskorpenes langsiktige oppførsel under enorme trykk (Dragert et al., 2001).

En annen viktig anvendelse av GPS i geofysikk er i studiet av atmosfæriske forhold, som kan påvirke GPS-signaler. For eksempel har forskere oppdaget at elektriske ladninger i ionosfæren kan forstyrre GPS-signaler, noe som kan ha betydning for nøyaktigheten av geodetiske målinger. Ved å analysere slike forstyrrelser kan GPS-systemer ikke bare brukes til å studere jordskorpen, men også atmosfæriske forhold som kan påvirke jordens overflate (Fitzgerald, 1997).

En betydelig utfordring i bruken av GPS-teknologi i geofysiske studier er håndteringen av støy og feil i målingene, som kan komme fra flere kilder, inkludert atmosfæriske forstyrrelser, teknologiske begrensninger og multipath-effekter. Derfor har forskere utviklet avanserte algoritmer for å filtrere og korrigere GPS-data, og sørge for at resultatene er så presise som mulig. Et eksempel på dette er utviklingen av algoritmer for å estimere jordfuktighet ved hjelp av GPS-interferometrisk reflektometri, som kan bidra til å forbedre nøyaktigheten i geofysiske målinger, særlig i områder med tett vegetasjon (Chew et al., 2015).

I tillegg til de praktiske anvendelsene av GPS i geofysikk, er det viktig å forstå de teknologiske fremskrittene som har muliggjort disse fremskrittene. GPS-systemene vi bruker i dag er et resultat av flere tiår med forskning og utvikling, og de har blitt stadig mer sofistikerte. Den kontinuerlige forbedringen av GPS-teknologi og -metoder åpner for mer detaljerte og pålitelige studier av jordens bevegelse og kan gi oss en langt dypere forståelse av planetens dynamikk.

Hvordan kan GNSS brukes for nøyaktige og sanntidsbaserte meteorologiske analyser?

Informasjon går tapt under dannelsen av dobbelt differensierte observabler, og antall variabler overstiger antall frie parametere. En strategi for å omgå denne begrensningen er å legge til en statistisk betingelse om at gjennomsnittet av alle residualene skal være null. Ved å innføre denne betingelsen blir det mulig å gjøre en entydig estimering av baneforsinkelsene. Selv om denne antakelsen ofte holder, spesielt når et stort antall stasjoner med høy datakvalitet behandles samtidig, er det formelt sett umulig å garantere dens sannhet. Feil i for eksempel ambiguitetsløsing vil kunne overføres direkte til null-differensierte residualer som ikke-sporbare skjevheter.

Innen operasjonell værobservasjon og korttidsvarsling kreves informasjon i sanntid, eller nær sanntid—ofte innen få minutter. Dette gjelder spesielt ved dynamiske og potensielt farlige værfenomener som kraftig nedbør, tordenvær eller orkaner. Sanntids GNSS-meteorologi har lenge vært teknisk mulig, men den nylige utviklingen av flere GNSS-systemer og økt datamengde per stasjon har i stor grad forbedret muligheten for å produsere pålitelige og nøyaktige estimater av integrert vanndamp (IWV) i sanntid.

Dobbelt differanse-prosessering kan brukes i sanntid, men PPP tilbyr fordeler i form av prosesseringseffektivitet og fl