Землетрясения создают волны в верхних слоях атмосферы, которые могут нарушать работу спутниковой связи и навигации. Ученые из Университета Нагои вместе с коллегами использовали японскую сеть GNSS-приемников, чтобы впервые построить трехмерную карту атмосферных возмущений после землетрясения на полуострове Ното в 2024 году. Результаты показали, как звуковые волны от подземных толчков распространяются в ионосфере, и раскрыли новые детали их поведения.

Исследование опубликовано в журнале Earth, Planets and Space.

В Японии больше 4500 GNSS-приемников — одна из самых плотных сетей в мире. Они не только помогают точно определять местоположение, но и фиксируют изменения в ионосфере — верхнем слое атмосферы, насыщенном заряженными частицами. Команда под руководством доктора Вэйчжэна Фу и профессора Юити Оцука из Института изучения космоса и Земли (ISEE) проанализировала, как землетрясение магнитудой 7.5 повлияло на распределение электронов в ионосфере.

Когда сигнал спутника проходит через ионосферу, он замедляется из-за взаимодействия с заряженными частицами.

Измеря задержку сигнала, ученые вычисляют концентрацию электронов и строят карты их распределения. Через 10 минут после землетрясения звуковые волны достигли ионосферы (60–1000 км над Землей), создав рябь, как от брошенного в воду камня.

Чтобы визуализировать волны в 3D, ученые применили томографию — метод, похожий на КТ-сканирование в медицине. Они собрали данные с тысяч приемников, отслеживающих сигналы под разными углами, и создали динамическую модель изменений.

Южнее эпицентра обнаружили наклонные волны, которые со временем выравнивались. Ранние модели предполагали, что волны исходят из одной точки, но реальные данные показали сложную картину. Ученые учли множественные источники вдоль разлома — разные участки рвутся не одновременно, а с задержкой до 30 секунд. Это объяснило асимметрию волн.

Наша модель с распределенными источниками точнее описывает, как волны расходятся в атмосфере, — говорит профессор Оцука.

Помехи в ионосфере влияют на спутники и навигацию. Если разобраться в их природе, можно улучшить системы предупреждения, — добавляет доктор Фу.

Теперь ученые планируют применить метод к другим явлениям: извержениям вулканов, цунами и штормам.

Этот метод позволяет:

• Точнее предсказывать сбои в спутниковой связи и GPS во время землетрясений.
• Улучшить системы раннего оповещения — волны в ионосфере распространяются быстрее сейсмических.
• Изучать скрытые параметры разломов — по структуре волн можно оценить, как именно рвался разлом.

Однако способ требует огромного количества приемников, как в Японии. В регионах с редкой сетью GNSS детализация будет хуже. Кроме того, модель пока не учитывает влияние ветров в верхней атмосфере, которые могут искажать волны.

Ранее ученые доказали математически, что для точной навигации необходимо пять спутников.