Μελέτη αλληλεπίδρασης συστήματος λιθόσφαιρα – ιονόσφαιρα: διερεύνηση ιονοσφαιρικών ανωμαλιών ως πρόδρομων σεισμικών φαινομένων βάσει GPS μετρήσεων με εφαρμογή στην ευρύτερη περιοχή του Πατραϊκού Κόλπου και Ιονίων Νήσων

Abstract

The present thesis aims on observing intense ionospheric variations prior to strong earthquakes (M 5.8) recently occurred in the seismically active area of Greece (2006-2014). On one hand, data from permanent CGPS stations, operating continuously at a frequency of 1 Hz in the broader research area, both inside and outside each earthquake preparation zone, were used to estimate the vertical component of Total Electron Content (TEC) in the F2 layer of the Ionosphere. The applied methodology was based on an algorithm deduced by Electromagnetic Wave Propagation and Plasma Theory. A statistical analysis of VTEC values, as estimated over each CGPS station, was additionally carried out during a 15-day period before and after the occurrence of each seismic event in order to detect ionospheric disturbances through positive or negative deviations of the observed VTEC values from the upper or lower limits of their normal rates. Furthermore, the effect of solar activity on Ionosphere was also considered to identify whether the observed ionospheric variations are associated with intense solar activity or the occurrence of a large earthquake. For this reason, the geomagnetic indices (Kp, Ap & Dst) were estimated to determine the geomagnetic conditions before earthquakes occurred and consequently to ensure the quiet geomagnetic regime that is favorable for the detection of seismo-ionospheric effects. On the other hand, research was focused on studying the geodynamic regime of the most seismically active zones in Greece. For this purpose, CGPS data were used to study the crustal deformation patterns of the areas where strong seismic activity has been occurred during the last decade, such as the broader area of Patras Gulf and Central Ionian Islands. Consideration of the above aspects have indicated that the January - February 2014 Cephalonia earthquakes (Mw=6.1 & 5.9) as long as the May 24th 2014 (Mw=6.8) North Aegean earthquake consist of important cases that need to be further investigated in order to evaluate the relationship between strong earthquakes and ionospheric anomalies. Serious seismo-ionospheric indications were also found a few days prior to the June 8th 2008 NW Peloponnese earthquake (Mw=6.4) and the March 25th 2007 Cephalonia earthquake (Mw=5.6). While, less obvious seismo-ionospheric effects were detected on: i) the January 6th 2008 Leonidio earthquake (Mw=6.0), ii) the July 15th 2008 SSW Rodeos earthquake (Mw=6.3), iii) the June 2013 earthquakes (Mw=6.1 & 5.8) to the south of Crete. Furthermore, regarding the above mentioned seismic events, strong ground deformation mainly on the horizontal components was detected at the nearest to each earthquake epicenter area CGPS stations, indicating that the extent of earthquake preparation zone in the Lithosphere is of the same order of magnitude with the disturbed due to seismic activity ionospheric area.

Η μελέτη ανώμαλων μεταβολών της κατακόρυφης συνιστώσας της ολικής συγκέντρωσης ηλεκτρονίων (VTEC) στο F2 στρώμα της Ιονόσφαιρας και η συσχέτιση των μεταβολών αυτών με ισχυρούς σεισμούς (M 5.8) πρόσφατα εκδηλωθέντες στον Ελλαδικό Χώρο (2006-2014), απετέλεσαν το αντικείμενο έρευνας της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Για τον σκοπό αυτόν, αναπτύχθηκε βάσει της θεωρίας διάδοσης Η/Μ κυμάτων σε διαθλαστικό μέσο και της θεωρίας του πλάσματος ένας μαθηματικός αλγόριθμος, σύμφωνα με τον οποίον αξιοποιήθηκαν CGPS δεδομένα συχνότητας 1Hz από μόνιμους σταθμούς στην Ελλάδα ευρισκόμενους τόσο εντός της εκάστοτε ζώνης σεισμικής προετοιμασίας, και δη πλησίον κάθε σεισμικού επικέντρου, όσο και εκτός της αντίστοιχης ζώνης. Εφαρμόζοντες, εν συνεχεία, στατιστική προσέγγιση επί των προσδιοριζόμενων ανά σταθμό VTEC τιμών για χρονικό διάστημα δεκαπέντε ημερών πριν και μετά από την εκάστοτε σεισμική εκδήλωση, προσδιορίσθηκε η ιονοσφαιρική διαταραχή μέσω θετικών ή αρνητικών αποκλίσεων των παρατηρούμενων VTEC τιμών από τα ανώτερα ή κατώτερα όρια των κανονικών τους τιμών. Επιπλέον, για κάθε έναν από τους υπό μελέτη σεισμούς, προσδιορίστηκαν οι γεωμαγνητικοί δείκτες (Kp, Ap & Dst) προκειμένου να καθοριστούν οι γεωμαγνητικές συνθήκες πριν από την σεισμική δραστηριότητα και συνεπώς να διασφαλιστεί το καθεστώς γεωμαγνητικής ηρεμίας, το οποίο απαιτείται για την ανίχνευση πιθανών ενδείξεων σεισμο-ιονοσφαιρικής ζεύξης. Παράλληλα, μελετήθηκε το γεωδυναμικό καθεστώς στον Ελλαδικό Χώρο και δη στις κύριες σεισμικές ζώνες. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκαν CGPS παρατηρήσεις για τον προσδιορισμό της εδαφικής παραμόρφωσης περιοχών ανά την Ελληνική Επικράτεια όπου έχει εκδηλωθεί ισχυρή σεισμική δραστηριότητα κατά την τελευταία δεκαετία, δίνοντας έμφαση στην ευρύτερη περιοχή του Πατραϊκού Κόλπου και των Κεντρικών Ιονίων Νήσων. Βάσει της διεξαχθείσας διδακτορικής έρευνας δύνατο να συναχθεί ότι τόσο η σεισμική δραστηριότητα του Ιανουαρίου - Φεβρουαρίου 2014 (Mw=6.1 & 5.9) στην Κεφαλληνία, όσο και ο σεισμός της 24ης Μαΐου 2014 (Mw=6.8) στο ΒΑ Αιγαίο φαίνεται να επηρέασαν σημαντικά την Ιονόσφαιρα. Ισχυρές, επίσης, ενδείξεις σεισμο-ιονοσφαιρικής ζεύξης εντοπίσθηκαν πριν από τον σεισμό της 8ης Ιουνίου 2008 (Mw=6.4) στην ΒΔ Πελοπόννησο και τον σεισμό της 25ης Μαρτίου 2007 (Mw=5.6) ΒΒΔ της Κεφαλληνίας. Ενώ, λιγότερο σαφείς ενδείξεις σεισμο-ιονοσφαιρικής αλληλεπίδρασης δύναντο να διακριθούν κατά την μελέτη των σεισμών: i) της 6ης Ιανουαρίου 2008 (Mw=6.0) στο Λεωνίδιο της Πελοποννήσου, ii) της 15ης Ιουλίου 2008 (Mw=6.3) ΝΝΔ της Ρόδου, iii) της 15ης και 16ης Ιουνίου 2013 (Mw=6.1 & 5.8) νότια της Κρήτης. Επιπροσθέτως, όσον αφορά στα ανωτέρω σεισμικά γεγονότα, ισχυρή εδαφική παραμόρφωση και δη στο οριζόντιο επίπεδο εντοπίσθηκε στους πλησιέστερους σε κάθε επικεντρική περιοχή CGPS σταθμούς, αποδεικνύοντας ότι το εύρος της περιοχής σεισμικής προετοιμασίας στην Λιθόσφαιρα είναι ανάλογο με την περιοχή της Ιονόσφαιρας η οποία φαίνεται να επηρεάστηκε από την εκάστοτε σεισμική δραστηριότητα.