U cijelosti prenosimo tekst prof. Ivana Tomana objavljenog na MeteoAdriatic portalu.

Područje Sredozemlja se nalazi na granici Afričke i Euroazijske tektonske ploče. Pod utjecajem rotacije Afričke ploče u odnosu na Euroazijsku oko točke smještene u Atlanskom oceanu, te posljedičnog približavanja spomenutih ploča, na njihovoj granici nastaje niz pukotina i rasjeda te izražena tektonska aktivnost (Gusić et al., 2016).

Počevši od potresa u Albaniji u studenom 2019. preko zagrebačkog potresa iz ožujka 2020. i nažalost razornog petrinjskog iz prosinca 2020., pa do svih naknadnih manjih podrhtavanja, započela je dugotrajna serija izražene seizmičke aktivnosti u regiji. Istovremeno, tijekom posljednjih tjedana vijesti iz Italije govore o iznimnoj eruptivnoj aktivnosti vulkana Etna, čime se upotpunjava neuobičajeno intenzivna dinamika litosfere mediteranske regije na početku 2021.

SIGONELLA, Italy (Feb. 16, 2021) Erupcija Etne. Izvor: Wikimedia

Etna je vulkan na Siciliji i spada među najaktivnije vulkane na svijetu i najaktivniji je vulkan u Europi. I premda o njegovim erupcijama možemo čitati u medijima tek sporadično, Etna je aktivna gotovo bez prestanka. Aktualne erupcije Etne se ne vode kao zasebni događaj; naime neprekidna aktivnost ovog vulkana započela je još 2013. godine. Zapravo, prilično je teško odrediti točan početak i kraj aktivnog perioda, budući da je aktivnost vulkana tijekom vremena vrlo promjenjiva vrijednost. U slučaju Etne, ona gotovo nikada ne miruje potpuno, ali joj se pritom stupanj aktivnosti značajno mijenja. Pa tako i onda kad iz kratera vulkana ne izlaze užareni produkti aktivnosti iz Zemljine unutrašnjosti u većoj mjeri, moguće je detektirati barem ponešto povećanu toplinsku energiju, vulkansku prašinu, plinove i slične “hladne” produkte aktivnosti.

Ionosfera

Izvor: NASA, Scientific Visualization Studio

Ionosfera je dio Zemljine atmosfere na visinama između 50 i 1000 kilometara. U tom pojasu gdje je uslijed visine atmosfera vrlo rijetka, prvenstveno upijanjem energije Sunčevog ultraljubičastog zračenja dolazi do izdvajanja elektrona iz atoma i molekula zraka pri čemu nastaju slobodni elektroni i pozitivno nabijeni ioni (kationi). Takvo stanje električki nabijenih čestica se održava dulje vrijeme budući da je zrak vrlo rijedak te do “susreta” i spajanja slobodnog elektrona i pozitivnog iona prođe određen vremenski period. Stoga električno nabijeni slojevi zraka često ostaju aktivni i nakon što zađu u Zemljinu sjenu tokom noćnih sati.

Zavisno o kutu upada Sunčevog zračenja, električna nabijenost ionosfere bit će manje ili više izražena. Temeljna jedinica kojom se opisuje stanje ionosfere je ukupan sadržaj elektrona (total electron content – TEC). TEC predstavlja ukupan broj elektrona u stupcu atmosfere površine baze 1m², a mjerna jedinica je TECu pri čemu 1 TECu = 10¹⁶ elektrona u stupcu baze 1m².

GPS

GPS (Global Positioning System), kao podsustav GNSS (Global Navigation Satellite System) koristi se prvenstveno za potrebe navigacije, kako pomorske, tako i kopnene i zračne, ali široki spektar upotrebe ovih sustava seže daleko izvan područja navigacije. Jedno od brojnih područja upotrebe GNSS sustava je i proučavanje tektonike i seizmičke aktivnosti. Pokazalo se je naime, da je korištenjem ovih sustava moguće odrediti promjene u Zemljinoj ionosferi koje su često povezane sa seizmičkom aktivnošću, a u najvećem broju slučajeva i prethode snažnim potresima nekoliko dana unaprijed. Zbog toga se smatra da bi praćenjem anomalija u ionosferi putem GPS/GNSS sustava (među ostalim metodama), barem u teoriji bilo moguće unaprijed predvidjeti povećanu vjerojatnost pojave razornih potresa u regiji unutar tzv. polumjera Dobrovolskog (Dobrovolsky, 1979). Osim teoretskog istraživanja, postoje planovi i za praktičnu primjenu GNSS/ionosferskih metoda predviđanja potresa, pri čemu kao autor prednjači Sergey Pulinets.

Ionosfersko kašnjenje satelitskih signala i znanstvena primjena ovog fenomena

Električna nabijenost ionosfere uzrokuje devijaciju putanje satelitskog signala od satelita do prijamnika na Zemlji. Što ionosfera sadrži više električnog naboja to je fizička staza signala jače izlomljena te više odstupa od geometrijski pravocrtne putanje. Takvo produljenje putanje uzrokuje da signali sa satelita stižu nešto kasnije nego bi stizali da se kreću po pravcu, a konačna posljedica kašnjenja je pogreška u izračunu položaja prijamnika. Osim tog negativnog aspekta ove pojave, ona se može iskoristiti i to za znanstvena proučavanja ionosfere; budući da je kašnjenje signala proporcionalno količini elektrona u ionosferi moguće je matematičkim putem odrediti stanje ionosfere poznavajući vrijednost ionosferskog kašnjenja signala.

Deformacija staze GNSS signala zbog ionosfere. Izvor: Ya’acob et al., “GPS Total Electron Content (TEC) Prediction at Ionosphere Layer over the Equatorial Region” (2010)

Ionosfersko kašnjenje je moguće precizno odrediti upotrebom dvije različite frekvencije signala, jer je kašnjenje osim o količini slobodnih elektrona ovisno i o frekvenciji signala, tj. inverzno je proporcionalno kvadratu frekvencije. Na tom načelu razvijena je prilično točna metoda određivanja količine slobodnih elektrona u ionosferi promatranjem razlike u kašnjenju signala na dvije različite frekvencije odaslane sa GNSS satelita (Schaer, 1999).

Iz prethodnih paragrafa proizlazi da GNSS sustavi mogu biti iskorišteni za predviđanje seizmičke aktivnosti praćenjem anomalija količine slobodnih elektrona u ionosferi, primjenom dvofrekvencijske metode određivanja TEC-a. Međutim, anomalije ionosfere koje se pojavljuju su mnogostruko manje od učinaka Sunčeve aktivnosti, što predstavlja osnovni problem pri detekciji istih. Traženje anomalija nakon što se potres dogodi je mnogo lakše nego uočavanje istih bez saznanja o trenutku/lokaciji potresa, jer se kod poznatog trenutka i lokacije potresa točno zna što, gdje i kad treba tražiti u ionosferi. Budući sustavi temeljeni na umjetnoj inteligenciji vjerojatno će dati određen napredak na mogućnosti detekcije predpotresnih ionosferskih anomalija i bez unaprijed poznatog trenutka i lokacije seizmičkog događaja.

No, što je s vulkanima?

Utjecaj vulkana na poremećaje ionosfere mnogo je manje istražen. Postoje određeni radovi na tu temu pri čemu su korišteni većinom sateliti (npr. DEMETER), te je uočeno da postoje promjene u količini ionizacije nad vulkanski aktivnim područjem. Ti rezultati ne predstavljaju iznenađenje, s obzirom da se odavna zna da postoji snažna veza između seizmičke aktivnosti i poremećaja ionosfere. Utjecaj vulkanske aktivnosti na ionosferu je stoga očekivan, ali za sad slabo istražen. Osim toga nije poznato djeluju li vulkani na ionosferu izravno, ili možda neizravno preko potresne aktivnosti povezane s njima. Postoje različiti modeli koji nastoje mehanistički objasniti ove veze (tzv. LAIC – Litosphere-Atmosphere-Ionosphere-Coupling) te se pritom na primjer plin radon smatra kao izgledan kandidat koji bi mogao objasniti fizikalni koncept utjecaja dinamike u tlu i promjena u ionosferi (Pulinets, 2011).

ISTRAŽIVANJE UTJECAJA ETNE NA IONOSFERU (TOMAN, BRČIĆ I KOS; 2021.)

Urednik MeteoAdriatic-a zajedno sa suradnicima Davidom Brčićem i Serđom Kosom s Pomorskog fakulteta u Rijeci, u ožujku 2021. je u časopisu Remote Sensing objavio istraživanje u kojem je koristio opisanu metodu određivanja ukupnog sadržaja elektrona pomoću dvofrekvencijskih GNSS opažanja, u cilju detekcije poremećaja ionosfere u regiji oko vulkana Etna. Rad pod naslovom “Contribution to the Research of the Effects of Etna Volcano Activity on the Features of the Ionospheric Total Electron Content Behaviour“ je dostupan u cijelosti na adresi časopisa (Toman, Brčić i Kos, 2021).

Ukupan sadržaj elektrona (desno, crveno) značajno zavisi o aktivnosti Sunca (lijevo, plavo). Na grafu je vidljiva snažna korelacija ova dva podatka. Dugoročne promjene uzrokovane su 11-godišnjim solarnim ciklusima, dok su kratkoročne povezane sa Sunčevim olujama i sličnim poremećajima svemirskog vremena. Eliminiranje utjecaja Sunca je nužan preduvjet da bi neusporedivo manje promjene TEC-a kao posljedica vulkanske aktivnosti bilo moguće uočiti i obraditi.

Temeljna prepreka koju je bilo potrebno zaobići je činjenica da su očekivane anomalije u ionosferi neusporedivo manje od poremećaja koje stvara Sunčeva aktivnost. Autor pritom slikovito objašnjava koliko je teško uočiti te vulkanske poremećaje ionosfere – “uočavanje istih je poput traženja zapaljene šibice u požaru kuće”. Međutim, eliminiranje različitih Sunčevih utjecaja i svih ostalih čimbenika koji utječu na stanje ionosfere urađeno je iskorištavanjem dva temeljna principa. Prvi je bio promatranjem isključivo minimalnih noćnih TEC vrijednosti, čime se eliminira najveći moguć dio Sunčevog utjecaja na ionosferu. Drugi princip bio je usrednjavanje stotina tako dobivenih vrijednosti, kako bi se filtriralo statističko raspršenje koje stvaraju svi preostali ne-lokalni utjecaji na TEC.

Tako obrađeni podaci su zatim međusobno uspoređivani na tri različite lokacije korištenjem podataka IGS postaja (Dow et al., 2009). Jedna lokacija je bila u neposrednoj blizini vulkana Etna (GNSS stanica Noto na Siciliji), dok su dvije kontrolne lokacije bile geografski udaljene dovoljno da je smatrano kako se nalaze izvan područja utjecaja vulkana (San Fernando u Španjolskoj i Nicosia na Cipru). Vulkanska aktivnost je praćena putem satelitskog sustava MIROVA (Coppola, 2020) , pri čemu je mjera za aktivnost bila VRP (volcanic radiative power), s mjernom jedinicom W (vat). Statističkim metodama se je promatralo kako se mijenja usrednjen minimalni noćni TEC u ionosferi, u zavisnosti o promjenama VRP Etne u vremenu. Obrađen vremenski period iznosio je 19 godina.

Rezultati istraživanja

Iz priložene slike uočljivo je značajno povećanje ukupnog sadržaja elektrona nad Etni bliskoj IGS stanicom Noto (crvena linija) u periodu od otprilike 17 do 5 dana prije dana povećanja vulkanske snage zračenja (VRP), s vršnom vrijednošću koja pada u 5. danu prije povećanja aktivnosti i pritom prelazi tri standardne devijacije u odnosu na prosjek. Preostali dani izvan tog perioda pokazuju međusobno podjednako ponašanje ionosfere (količine elektrona) na sve tri stanice. Statističkom obradom signala (fast fourierova transformacija) pronađeno je oscilirajuće kretanje TEC-a sa srednjom vrijednosti poluperioda oscilacije od 6,25 dana.

Srednja vrijednost minimalnog noćnog TEC-a nad tri promatrane IGS postaje u periodu između 30 dana prije i 20 dana nakon povećanja aktivnosti Etne. Dani povećanja aktivnosti (za više od 25 posto u odnosu na prethodni dan – “volcanic activity increase – VAI”), naznačeni su na x osi na broju 0 te vertikalnom crnom linijom. Izvor: Toman, Brčić i Kos (2021).

Glavni zaključak istraživanja je da povećanju aktivnosti Etne prethodi generalno povećanje količine slobodnih elektrona u ionosferi iznad nje, s vidljivim oscilatornim uzorkom signala, te da se vršne vrijednosti TEC-a pojavljuju oko 5 dana prije povećanja aktivnosti vulkana, nakon čega dolazi do pada vrijednosti na normalu.

Hipoteza koja bi mogla objasniti posljedične promjene u ionosferi koje, usput, mogu najaviti skoru erupciju, je sljedeća. Litosferna prederuptivna aktivnost dovodi do oslobađanja plinova iz tla (prvenstveno je pritom zanimljiv radon) koji ionoiziraju donji sloj zraka. Uslijed promjene u električnom polju i električnoj vodljivosti zraka, dolazi do posljedične promjene električnih strujanja između prizemnog sloja i tla, te viših slojeva atmosfere (ionosfera). Konačna posljedica promjena atmosferskog električnog polja i struja dovodi do poremećaja u ukupnoj količini elektrona ne samo u donjem već i u višim slojevima atmosfere.

Nejasno je pritom uzrokuje li li promjene električnih svojstava atmosfere vulkan svojim djelovanjem izravno, ili posredno preko seizmičke aktivnosti koja učestalo prethodi erupcijama, ili su promjene posljedica oba učinka zajedno. Ukupna elektrifikacija atmosfere, prostorno kretanje naboja i promjene električnih polja opisuju se globalnim električnim krugom (Volarić, 2004). Dokazivanje navedenih hipoteza nije jednostavan zadatak i potrebno je prikupiti mnogo više podataka i primijeniti različite multidisciplinarne metode da bi se u konačnici predložio fizikalni model koji bi objasnio uočene poremećaje ionosfere kao posljedice vulkanske aktivnosti.

Reference

Coppola, D.; Laiolo, M.; Cigolini, C.; Massimetti, F.; Donne, D.D.; Ripepe, M.; Arias, H.; Barsotti, S.; Parra, C.B.; Centeno, R.G.; et al. (2020). Thermal Remote Sensing for Global Volcano Monitoring: Experiences from the MIROVA system. Front Earth Sci. 7, 1–21.
Dobrovolsky, I.P., Zubkov, S.I. & Miachkin, V.I. (1979). Estimation of the size of earthquake preparation zones. PAGEOPH 117, 1025–1044
Dow, J.M.; Neilan, R.E.; Rizos, C. (2009). The International GNSS Service in a changing landscape of Global Navigation Satellite Systems. J. Geod., 83, 191–198.
Gusić, D., Landeka, J., Lukić, A., Prša, M. i Vidić, I. (2016). Seizmička aktivnost na području Republike Hrvatske. Ekscentar, (19), 84-90.
Pulinets, S., Ouzounov,D. (2011). Lithosphere–Atmosphere–Ionosphere Coupling (LAIC) model–Anunified concept for earthquake precursors validation. J.Asian Earth Sci. 41, str. 371–382.
Schaer, S. (1999). Mapping and Predicting the Earth’s Ionosphere Using the Global Positioning System; Institut für Geodäsie und Photogrammetrie, Eidg. Technische Hochschule Zürich: Zürich, Switzerland.
Toman, I.; Brčić, D.; Kos, S. (2021). Contribution to the Research of the Effects of Etna Volcano Activity on the Features of the Ionospheric Total Electron Content Behaviour. Remote Sens. 13, 1006.
Volarić, B. (2004) Električna svojstva atmosfere, Hrvatski meteorološki časopis, Vol. 39 No. 39.