Erfassung durch Erdbeben verursachter ionosphärischer TEC-Variationen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Harald Schuh; Professor Yuri Shprits, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Geodäsie, Photogrammetrie, Fernerkundung, Geoinformatik, Kartographie
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 579103676

Mit den Globalen Navigationssatellitensystemen (GNSS) können ionosphärische Reaktionen erfasst werden, die durch seismische Aktivität wie Erdbeben, erdbebenbedingte Tsunamis und Vulkanausbrüche verursacht wurden. Ein zentraler Parameter, mit dem co-seismische ionosphärische Störungen (CID) beobachtet werden, ist der totale Elektronengehalt (TEC), der aus Zweifrequenz-GNSS-Beobachtungen abgeleitet werden kann. Das gleichzeitige Auftreten von TEC-Anomalien, die durch seismische Aktivität und durch natürlich vorkommende ionosphärische Störungen verursacht werden, erschwert die Analyse spezifischer Ereignisse. Im Projekt MIRIE sollen statistisch signifikante Unterschiede in ionosphärischen TEC-Anomalien identifiziert werden, um CID-Signaturen von anderen Einflussfaktoren zu unterscheiden. Eine umfassende Bewertung wird für Erdbeben mit Magnituden von ~4 Mw bis ~9 Mw durchgeführt, die zwischen 1992 und 2025 aufgetreten sind, unter Nutzung von ~5.000 weltweit verteilten GNSS-Stationen. Die GNSS-Daten werden von vier Datenzentren bezogen: dem International GNSS Service (IGS; 525 Stationen, weltweit verteilt), dem GAGE Facility Data Center in den USA (GAGE; 2.130 Stationen, ungefähr die Hälfte in Nordamerika), dem GFZ GNSS Data Center (GFZ-GNSS; ~900 Stationen in Europa und ~500 Stationen in Südamerika) und dem japanischen GNSS Earth Observation Network System (GEONET; ~1.300 Stationen in Japan). Ergänzende Datensätze, einschließlich GNSS-Metadaten, solarer und geomagnetischer Aktivitätsindizes sowie eines globalen Erdbebenkatalogs, werden zur Validierung der CID-Signale verwendet. Fortschrittliche Techniken zur Erstellung hochpräziser GNSS-TEC-Zeitreihen (z.B. Datenbereinigung und Korrektur von Diskontinuitäten) werden die CID-Interpretation verbessern. Zusätzlich werden GNSS-TEC-Anomalien erzeugt, um Beobachtungsfehler (z. B. Ausreißer oder systematische Fehler aufgrund der Satellitenbahnen) zu simulieren, wodurch durch natürliche Prozesse entstandene ionosphärische Störungen unterschieden werden können, von solchen, die durch Beobachtungsartefakte verursacht wurden. Die Parameter co-seismischer akustischer Wellen (z. B. Phase, Amplitude, Frequenz und Störungsdauer) in der Ionosphäre werden durch die Kombination von Spektralanalyse (z. B. Hochpassfilterung) mit Funktionsapproximationen (z.B. Fourier-Funktionen) quantifiziert. Darüber hinaus wird das Projekt GNSS-TEC-Datensätze mit 30-sekündiger zeitlicher Auflösung von ~500 globalen IGS-Stationen sowie TEC-Störungen im Zusammenhang mit weltweit bedeutenden Erdbeben (Mw ≥ 7), die hauptsächlich im pazifischen Ring of Fire auftreten, untersuchen. Die Ergebnisse dieser Studie einschließlich der erzeugten Datensätze werden öffentlich zugänglich gemacht, um die Überprüfung und Analyse durch andere Gruppen sowie die zukünftige Entwicklung KI-gestützter Modelle zu ermöglichen. Damit wird ein tieferes Verständnis der physikalischen Wechselwirkungen zwischen seismischer Aktivität und Ionosphäre ermöglicht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen