Anfängliche Tsunamiwellen sind typischerweise einige Zentimeter hoch, verursachen aber dennoch eine Störung in der oberen Erdatmosphäre, indem sie Luft nach oben drücken und eine Schallwelle erzeugen, die verstärkt wird, wenn sie höher wird.
Dies führt zu einer Veränderung in der Ionosphäre, 300 km über der Erdoberfläche, bei der die Elektronendichte in der Umgebung verringert wird. Dies wirkt sich wiederum auf Funksignale aus, die von GPS-Satelliten an GPS-Empfänger am Boden gesendet werden, wodurch verschiedene Teile des Signals verzögert oder beschleunigt oder die Richtung des Signals je nach Frequenz geändert werden.
Für eine neue Studie, veröffentlicht in Naturgefahren und Erdsystemwissenschaftenhaben Forscher des University College London (UCL) und Universitäten in Japan eine neue Methode entwickelt, um diesen Abfall der Elektronendichte anhand der veränderten GPS-Signale zu erkennen.
Bei der Betrachtung von GPS-Daten zum Zeitpunkt des verheerenden Erdbebens und Tsunamis von Tohoku-Oki im Jahr 2011 stellten sie fest, dass eine Tsunami-Warnung innerhalb von 15 Minuten nach dem Erdbeben hätte ausgegeben werden können – d. h. mindestens 10 Minuten vor dem ersten Tsunami die Ostküste Japans treffen.
Sie fanden auch heraus, dass eine Warnung mit Daten von nur 5 % der 1.200 GPS-Empfänger Japans hätte ausgegeben werden können – was bedeutet, dass die Methode in Ländern mit einem dünneren GPS-Netzwerk als Japans verwendet werden könnte.
Professor Serge Guillas (UCL Statistical Science and the Alan Turing Institute), leitender Autor des Papiers, sagte: „Aktuelle Tsunami-Warnsysteme sind nicht so effektiv, wie sie sein sollten, da sie die Höhe einer Tsunami-Welle oft nicht genau vorhersagen können. Im Jahr 2011 , Japans Warnsystem hat die Höhe der Welle unterschätzt. Eine bessere Warnung hätte möglicherweise Leben gerettet und die weit verbreitete Zerstörung verringert, sodass die Menschen höher gelegen und weiter vom Meer entfernt sein könnten.
„Unsere Studie, eine gemeinsame Anstrengung von Statistikern und Weltraumwissenschaftlern, demonstriert eine neue Methode zur Erkennung von Tsunamis, die kostengünstig ist, da sie auf bestehenden GPS-Netzwerken beruht, und weltweit implementiert werden könnte, andere Methoden zur Erkennung von Tsunamis ergänzt und die Genauigkeit verbessert von Warnsystemen.“
Hauptautor und Ph.D. Der Forscher Ryuichi Kanai (UCL Statistical Science and the Alan Turing Institute) sagte: „Unsere Berechnungen legen nahe, dass die Größe und Form der Welle aus der Störung in der Ionosphäre abgeleitet werden könnte, und daher wird der nächste Schritt in der Forschung darin bestehen, dies weiter zu untersuchen prüfen, ob die Methode für genauere Vorhersagen der Größe und Reichweite von Tsunamis verwendet werden könnte.
„Aufgrund meiner Erfahrungen bei der Arbeit für die japanische Regierung in der Vergangenheit und angesichts der durch den Tsunami verursachten Schäden glaube ich, dass diese Forschung, wenn sie Früchte trägt, sicherlich dazu beitragen wird, Leben zu retten.“
Die Forscher verwendeten statistische Techniken, um die Verringerung der Elektronendichte in der Atmosphäre auf der Grundlage von Streupunkten aus GPS-Daten zu rekonstruieren und die der Modellierung innewohnende Unsicherheit zu quantifizieren.
Die durch den anfänglichen Wasseranstieg verursachte Schallwelle benötigte etwa sieben Minuten, um eine Höhe von 300 km in der Ionosphäre zu erreichen, und die als Folge auftretende Verringerung der Elektronendichte konnte über Satellitensignale in 10 bis 15 Minuten festgestellt werden, fanden die Forscher heraus.
Tsunami-Wellen sind in tiefem Wasser niedrig, können sich aber mit der Geschwindigkeit eines Düsenjets ausbreiten (bis zu 800 km/h in einer Tiefsee). Wenn sie in flachere Gewässer eintreten, werden sie langsamer und wachsen an Höhe.
Viele bestehende Tsunami-Warnsysteme leiten Tsunami-Wellen von Erdbeben ab, aber diese vorgeschlagene Methode könnte verwendet werden, um ankommende Tsunamis mit Nicht-Erdbebenquellen wie Erdrutschen und Vulkanausbrüchen vorherzusagen.
Während einige Tsunamis Küsten in weniger als 10 Minuten erreichen, wiesen die Forscher darauf hin, dass die Methode auch zur Vorhersage zweiter oder dritter Wellen verwendet werden könnte, um zu bestimmen, ob eine Tsunami-Warnung aufgehoben oder nach der ersten Welle aufrechterhalten werden sollte.
Die Ionosphäre erstreckt sich von 48 km bis 965 km über der Erdoberfläche (wo die Erdatmosphäre auf den Weltraum trifft). Die Hitze der Sonne kocht die Gase, bis sie Elektronen verlieren (dh sie werden ionisiert), wodurch ein Meer aus geladenen Teilchen entsteht, das eine Fülle freier Elektronen enthält.
Die Studie wurde von Forschern der UCL, des Alan Turing Institute, der Tokai University und der University of Shizuoka, Japan, durchgeführt.
Ryuichi Kanai et al, Robuste Unsicherheitsquantifizierung des Volumens von Tsunami-Ionenlöchern für das Tohoku-Oki-Erdbeben 2011: hin zu kostengünstigen satellitengestützten Tsunami-Warnsystemen, Naturgefahren und Erdsystemwissenschaften (2022). DOI: 10.5194/nhess-22-849-2022