【太空天氣】Tsunami Warning From The Ionosphere 來自電離層的海嘯預警

Outline 大綱

• Introduction：海嘯如何對電離層的電漿造成擾動
• Method：如何測量海嘯所造成的變化
• Result：海嘯預警的理想情況及可行性
• Conclusion

Introduction 簡介

1. 以地震和海嘯來說，地震發生時的地表錯動會引發海嘯的發生，地表會水平傳播地震波與海嘯波，而地表的垂直位移和海面起伏會以聲重波的形式往上傳到大氣層與電離層，並且會在電離層中水平傳播到遠處，對電離層的電漿造成移動擾動現象

2. 當海嘯形成並移動穿過海洋時，海浪的波峰和波谷壓縮並延伸上方的空氣，在稱為重力波的大氣中產生運動。重力波的這些波動在向上傳播到隨高度變薄的大氣中時被放大

3. 簡單計算，聲重波傳遞到電離層的時間，用350km除以555m/s，可得9到10分鐘

   

4. TID Traveling Ionospheric Disturbances 移行電離層擾動分為大、中、小共三種尺度的TID，這邊的是Medium-Scale TID

   

5. 分別是重力波向上傳遞到電離層的模擬圖、示意圖

   

6. 以311地震為例，如何簡單分辨地震波和海嘯波的電離層擾動

   

7. 05:46 UT：地震發生的時刻，重力波需要傳遞一段時間到電離層，所以不會有任何TID

   

8. 05:55 UT：重力波過了9分鐘左右傳到電離層，電離層開始擾動

9. Seismo-traveling ionospheric disturbances, STID 地震的移行電離層擾動

   

10. 06:00~06:11 UT：地震所產生的Rayleigh wave和重力波造成TID

    

11. 06:25~07:34 UT：海嘯所產生的重力波造成TID

12. 地震和海嘯所造成的TID差別在哪呢?

    • 地震只會產生1次的Rayleigh wave和聲重波傳遞出去後，就沒了
    • 海嘯會在海面上傳遞，在傳遞的過程中就會源源不絕的產生聲重波

13. 用一部影片總結我前面第6點~第12點的說明
14. 這部影片的特點有兩個color bar：左邊為海平面高度，右邊為TEC變化量

Method 觀測方法

1. 利用前面介紹的重力波所造成的TID，可藉由GPS衛星及GPS接收站進行觀測

   

2. 海嘯所造成的重力波向上傳遞到電離層，產生太空海嘯，也就是TID，藉由GPS衛星及GPS接收站可進行觀測

   

3. 海嘯造成的TID，隨著距離震央越遠，越晚產生擾動

   

4. 分別是台灣地區GPS接收站分布圖，及日本和台灣地區GPS接收站分布圖

5. 日本和台灣地區GPS接收站共數千個站

   

6. 海潮儀就是去觀測海平面的高度變化，藉此觀測海嘯

   

7. 為東亞地區海潮儀分布圖，大約5~6個站

   

8. 為各個海潮儀在不同的時間點所觀測到海嘯波的紀錄

   

9. 不同距離的海潮儀所觀測到不同時間經過的海嘯波，可推知海嘯傳播速度為212m/s

Result 海嘯預警

1. 一台雙頻GPS接收器約30萬元；而海潮儀造價上億元

2. 因為第一點價格的關係，所以造成分布圖上的數量差異，GPS接收器在日本及台灣就有數千個站，可是海潮儀在東亞地區只有5~6個站

3. 所以在海嘯預警上，以GPS接收器比較符合高C/P值

   

4. GPS衛星及GPS接受站所觀測的TEC擾動變化，有可能比海潮儀觀測到海嘯的時間還早許多，而這個時間差更有效的進行海嘯預警

   

5. 海嘯產生的電離層擾動，要經過多久才會傳到該地上空

6. 以日本311地震來說，海嘯大約在地震發生後4個小時到達台灣海域，而GPS接收器偵測到電離層擾動的傳播時間圖，則很明顯可以看到電離層擾動在地震發生之後1個小時半就可以到達台灣上空了，其中的時間差有2個半小時，台灣和日本相距3000公里

7. 距離震央愈遠，可以進行海嘯預警的時間差就愈長

   

8. 以台灣為中心，完成一個海嘯預警圖

9. 距離201.9公里點發生海嘯，和電離層傳播速度時間差是零，在370公里之外，時間差是10分鐘，在538公里外，時間差是20分鐘

10. 故距離台灣201.9公里以內所發生的地震及海嘯，無法做海嘯預警

11. 紅線是台灣附近可能發生地震的海溝，也就是可能引發海嘯的地方

Conclusion 結論

1. Earthquakes >> Surface waves (Rayleigh waves) >> Tsunami
2. Gravity wave >> TID >> GNSS >> GPS receivers
3. The occurred time of disturbances is earlier than tsunami at far GPS station from the epicenter.
   • 電離層擾動所觀測到的時間 – 海嘯抵達的時間，這個時間差會隨著距離震央越遠而越大，所以我們可以更早進行海嘯預警

4. 201.9 km

   • 距離201.9公里點發生海嘯，和電離層傳播速度時間差是零

Reference 參考資料

1. 高層大氣科學 講義
   http://class-qry.acad.ncku.edu.tw/syllabus/online_display.php?syear=0106&sem=2&co_no=C44A900
2. Tsunami signature in the ionosphere: A simulation of OTH radar observations, 2011
3. Ionospheric detection of gravity waves induced by tsunamis, 2005
4. NASA ‘Sees’ Tohoku-Oki Earthquake and Tsunami in Earth’s Upper Atmosphere
   https://www.youtube.com/watch?v=17GNzXmEYjA
5. 成大教授林建宏 從空中電離層建構海嘯預警系統 [NCKU, 成功大學-新聞中心]
6. Overview of first operational DART® Mooring System
   https://nctr.pmel.noaa.gov/Dart/dart_ms1.html
7. Warnings from the ionosphere
   https://earthdata.nasa.gov/user-resources/sensing-our-planet/warnings-from-the-ionosphere
8. Observations of traveling ionospheric disturbance triggered by earthquakes and tsunamis using GPS [Wei-Han Chen, 2013]
   http://tsunami.ihs.ncu.edu.tw/~scstw/2014/doc/13WeiHanChen.pdf