Neue Technologie zur Gefahrenüberwachung nutzt GPS-Signale, um im Pazifischen Feuerring auf Wellenjagd zu gehen. Das langfristige Ziel von GUARDIAN ist die Erweiterung von Frühwarnsystemen.
Ausgelöst durch Erdbeben, Unterwasservulkane und andere erderschütternde Kräfte können Tsunamis Küstengemeinden verwüsten. Bei der Vorwarnung zählt jede Sekunde. Wissenschaftler am Jet Propulsion Laboratory der NASA testen einen neuartigen Ansatz, um die tödlichsten Wellen des Ozeans aus den entlegensten Bereichen der Atmosphäre aufzuspüren.
Das experimentelle Überwachungssystem mit dem Namen GUARDIAN (GNSS Upper Atmospheric Real-time Disaster Information and Alert Network) greift auf Daten von Clustern von GPS- und anderen Wegfindungssatelliten zurück, die unseren Planeten umkreisen. Zusammen werden diese Cluster als globale Navigationssatellitensysteme oder GNSS bezeichnet. Ihre Funksignale werden zu Hunderten von wissenschaftlichen Bodenstationen auf der ganzen Welt übertragen, und diese Daten werden vom Global Differential GPS (GDGPS)-Netzwerk des JPL verarbeitet, das die Positionsgenauigkeit in Echtzeit auf einige Zoll (ungefähr 10 Zentimeter) verbessert.
Das neue System durchsucht die Signale nach Hinweisen darauf, dass irgendwo auf der Erde ein Tsunami aufgetreten ist. Wie funktioniert es? Während eines Tsunamis können sich viele Quadratkilometer der Meeresoberfläche nahezu gleichzeitig heben und senken, wodurch eine beträchtliche Menge Luft darüber verdrängt wird. Die verdrängte Luft breitet sich in Form niederfrequenter Schall- und Schwerewellen in alle Richtungen aus. Innerhalb weniger Minuten erreichen diese Schwingungen die oberste Schicht der Atmosphäre: die von der Sonne gekochte, elektrisch geladene Ionosphäre. Der daraus resultierende Zusammenstoß von Druckwellen mit geladenen Teilchen kann die Signale von nahegelegenen Navigationssatelliten geringfügig verzerren.
Diese Animation zeigt, wie Energiewellen des Tohoku-Oki-Erdbebens und des Tsunamis vom 11. März 2011 die Ionosphäre der Erde in der Nähe von Japan durchbohrten und die Elektronendichte störten. Diese Störungen wurden durch die Verfolgung von GPS-Signalen zwischen Satelliten und Bodenempfängern überwacht. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech
Während Navigationsinstrumente normalerweise versuchen, solche ionosphärischen Störungen zu korrigieren, können Wissenschaftler sie als lebensrettende Alarmglocke verwenden, bemerkte Léo Martire, ein JPL-Wissenschaftler, der GUARDIAN entwickelt. „Anstatt dies als Fehler zu korrigieren, verwenden wir es als Daten, um Naturgefahren zu finden“, sagte Martire.
Schnellstes Überwachungstool seiner Art
Die Technologie sei noch ausgereift, sagte Martire, Co-Vorsitzender einer Task Force im Internationalen Komitee für GNSS der Vereinten Nationen, die den Einsatz von Navigationssatellitensystemen zur Verbesserung von Frühwarnstrategien untersucht. Derzeit muss die nahezu in Echtzeit erfolgende Ausgabe von GUARDIAN von Experten interpretiert werden, die darin geschult sind, Anzeichen von Tsunamis zu erkennen. Aber schon jetzt ist es eines der schnellsten Überwachungstools seiner Art: Innerhalb von 10 Minuten Es kann eine Art Momentaufnahme des Grollens eines Tsunamis erzeugen, der die Ionosphäre erreicht. Abhängig von der Entfernung des Tsunami-Ursprungs vom Ufer könnte die Warnung möglicherweise bis zu einer Stunde betragen.
„Wir stellen uns vor, dass GUARDIAN eines Tages bestehende boden- und ozeanbasierte Instrumente wie Seismometer, Bojen und Gezeitenmesser ergänzen wird, die sehr effektiv sind, aber keine systematische Abdeckung des offenen Ozeans bieten“, sagt Siddharth Krishnamoorthy, ebenfalls Teil des JPL-Entwicklungsteams . Wissenschaftler des NASA-Katastrophenprogramms nutzen derzeit bodengestützte Instrumente an GNSS-Stationen, um Tsunamis schneller zu erkennen.
„Wenn es in der Nähe des Ozeans zu einem großen Erdbeben kommt, wollen wir schnell die Stärke und die Eigenschaften des Erdbebens kennen, um die Wahrscheinlichkeit zu verstehen, dass ein Tsunami entsteht, und wir wollen wissen, ob tatsächlich ein Tsunami entstanden ist“, sagte Gerald Bawden , der Programmwissenschaftler für Erdoberfläche und -inneres am NASA-Hauptquartier in Washington.
„Heute gibt es zwei Möglichkeiten, um festzustellen, ob ein Tsunami erzeugt wurde, bevor er auf Land trifft – die DART-Bojen der NOAA und GNSS-Ionosphärenbeobachtungen. Die Anzahl der Bojen ist begrenzt und sie sind sehr teuer, sodass Systeme wie GUARDIAN das Potenzial haben, die Strömung zu ergänzen.“ Warnsysteme.“
Derzeit konzentriert sich das GUARDIAN-Team auf den geologisch aktiven Feuerring des Pazifischen Ozeans. Laut einer historischen Datenbank der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) ereigneten sich etwa 78 % der mehr als 750 bestätigten Tsunamis zwischen 1900 und 2015 in dieser Region. GUARDIAN überwacht derzeit etwas mehr als die Hälfte der interessierenden Region im Pazifik.
Das GUARDIAN-Team entwickelt eine Website, die es Experten ermöglicht, den Zustand der Ionosphäre nahezu in Echtzeit zu erkunden, indem sie einzelne Satellitenstationsverbindungen im GNSS-Netzwerk untersuchen. Benutzer können auf die Daten von etwa 90 Stationen rund um den Pazifischen Feuerring zugreifen und innerhalb von Minuten nach Eintritt eines Ereignisses interessante Signale entdecken. Das Team möchte die Abdeckung erweitern und das System so weit verfeinern, dass es automatisch Tsunamis und andere Gefahren, einschließlich Vulkanausbrüche und Erdbeben, melden kann.