Ανάλυση χρονοσειρών ηλεκτρομαγνητικών μετρήσεων δικτύου επίγειων σταθμών για την ανίχνευση υπογραφών καταστροφικών γεωφυσικών φαινομένων
Time series analysis of electromagnetic measurements from ground-based stations network for the detection of disastrous geophysical phenomena signatures
Λέξεις-κλειδιά
Σεισμοί ; Σεισμο-ηλεκτρομαγνητισμός ; Υποϊονοσφαιρική διάδοση VLF/LF ; Κρισιμότητα ; Μέθοδος κρισίμων διακυμάνσεωνΠερίληψη
Στη παρούσα διπλωματική εργασία γίνεται αναφορά σε όλο το εύρος της εκπόνησης της έρευνας, καθ’όλη τη διάρκεια της φοίτησης στο πρόγραμμα μεταπτυχιακών σπουδών Ηλεκτρικές και Ηλεκτρονικές Επιστήμες μέσω Έρευνας στο ερευνητικό αντικείμενο «Ανάλυση Χρονοσειρών ηλεκτρομαγνητικών μετρήσεων δικτύου επίγειων σταθμών για την ανίχνευση υπογραφών καταστροφικών γεωφυσικών φαινομένων». Η εργασία αυτή επικεντρώνεται στη διερεύνηση της δυνατότητας παρατήρησης προσεισμικών διεργασιών ως υπογραφές σε ηλεκτρομαγνητικά σήματα δικτύων επίγειων σταθμών, με την εφαρμογή στατιστικών μεθόδων ανάλυσης χρονοσειρών σε καταγραφές μεγάλης διάρκειας. Συγκεκριμένα μελετήθηκαν δεδομένα υποϊονοσφαιρικής διάδοσης VLF/LF που παρουσιάζουν σημαντικό ενδιαφέρον καθώς διαταραχές σε αυτά ενδέχεται να σχετίζονται με διεργασίες που συμβαίνουν στη λιθόσφαιρα. Τα δεδομένα καταγράφηκαν από 8 δέκτες-σταθμούς του Ιαπωνικού δικτύου VLF/LF, για χρονικό διάστημα ~3 ετών μεταξύ του 2014 και του 2017. Η ανάλυση αυτών των δεδομένων έγινε με τη μέθοδο των κρισίμων διακυμάνσεων (Method of Critical Fluctuations, MCF). Συγκεκριμένα αναλύθηκαν τμήματα των χρονοσειρών πλάτους λήψης που αντιστοιχούν σε χρονικά διαστήματα πριν απο καθέναν από τους κύριους σεισμούς με μέγεθος MW ≥ 5.5 που το επίκεντρο τους βρισκόταν εντός της 5ης ζώνης Fresnel τουλάχιστον μίας υποϊονοσφαιρικής ζεύξης συγκεριμένου πομπού της Ιαπωνίας με καθέναν από τους διαθέσιμους 8 δέκτες. Οι αναλύσεις, αποκάλυψαν κρίσιμη δυναμική στην χαμηλότερη ιονόσφαιρα πριν την εμφάνιση των σεισμικών αυτών γεγονότων σε τουλάχιστον μία ή περισσότερες υποϊονοσφαιρικές ζεύξεις, όπου ήταν δυνατόν να εφαρμοστεί η MCF. Στην μελέτη αυτή συμπεριλαμβάνονται επίσης και άλλα ακραία φαινόμενα, τοπικά ή παγκόσμια, τα οποία συνέβησαν σε κοντινή χρονική περίοδο με τους σεισμούς, όπως μαγνητικές καταιγίδες, ηλιακές εκλάμψεις και ηφαίστεια. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η μέθοδος ανάλυσης χρονοσειρών MCF ανιχνεύει κρίσιμη δυναμική πριν από όλα τα σεισμικά γεγονότα καθώς και πριν από κάθε άλλο ακραίο φαινόμενο.
Περίληψη
This thesis presents the whole research that has been done during the entire time of attendance in Master of Science by research in Electrical and Electronics Engineering, in the research field of “Time series analysis of electromagnetic measurements from ground-based stations network for the detection of disastrous geophysical phenomena signatures”. This work focuses on the investigation of the possibility for pre-earthquake processes to be observed as signatures in electromagnetic signals of ground-based stations networks, by applying statistical time-series analysis methods to long duration recordings. Specifically, subionospheric VLF/LF data were studied, which are of great interest since any ionospheric perturbations may be related with processes occurring in lithosphere. The data were recorded by a network of 8 VLF/LF receivers deployed throughout Japan during a time period of ~3 years between 2014 and 2017. The analysis of these data was done by the Method of Critical Fluctuations (MCF). Specifically, parts of reception amplitude time series corresponding to time intervals before each one of the main earthquake events with magnitude MW ≥ 5.5 and epicenter within the 5th Fresnel zone of at least one VLF subionospheric propagation paths, between of a specific transmitter and each one of the 8 available VLF/LF receivers, were analyzed. The analysis revealed critical dynamics in the lower ionosphere prior to these seismic events in at least one or more VLF subionospheric paths, where it was possible to apply MCF. This study also includes other extreme, local or global, phenomena that occurred close in time to the earthquakes, such as magnetic storms, solar flares and volcanoes. The results indicated that the MCF time series analysis method detects critical dynamics before all seismic events as well as before any other extreme event.