Ionospheric Dynamics by GNSS total electron content observations : the effect of Solar Eclipses and the mystery of Earthquake precursors. - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2020

Ionospheric Dynamics by GNSS total electron content observations : the effect of Solar Eclipses and the mystery of Earthquake precursors.

Dynamique ionosphérique par observations GNSS du contenu total en électrons : l'effet des éclipses solaires et le mystère des précurseurs des séismes

Julian Eisenbeis
  • Fonction : Auteur

Résumé

This thesis focuses mainly on two topics: one is the ionospheric signature of solar eclipses, the second is the Hole vs Enhancement debate about earthquake precursors. On the 21st August 2017 the shadow of a total eclipse drastically changed the state of the ionosphere over the USA. This effect is visible in the total electron content (TEC) measured by ~3000 GNSS stations seeing multiple GPS and GLONASS satellites. This tremendous dataset allows high-resolution characterization of the frequency content and wavelengths -using an omega-k analysis based on 3D Fast-Fourier-Transform (FFT)- of the eclipse signature in the ionosphere in order to fully identify traveling ionospheric disturbances (TIDs). We confirm the generation of TIDs associated with the eclipse including TIDs interpreted as bow waves in previous studies. Additionally we reveal, for the first time, short (50-100 km) and long (500-600 km) wavelength TIDs with periods between 30 and 65 min (Eisenbeis et al., 2019). On 2nd July 2019 another total solar eclipse happened across the South American continent at magnetic conjugate latitudes as the Great American Eclipse, and consequently useful to visualize the difference response. Although for the South American eclipse we have only data from more than hundred GNSS stations and located in a zone close to the sunset, we can show the clear evidence of the ionospheric signature of the eclipse (Eisenbeis & Occhipinti in prep.a).The second major topic in this work is the still ongoing debate about the possibility of earthquake precursors. Heki (2011) sparked this debate when he published results of the Tohoku earthquake showing a TEC enhancement before the earthquake. The enhancement claimed by Heki (2011) has been interpreted as a decrease in the background TEC after the seismic event, the so called ionospheric hole in literature. The existence of the enhancement has been promoted by several papers (e.g. He & Heki, 2017) extending the observation to several events with moderate magnitude (M> 7.5) and proposes a new vision of the rupture dynamics. By trying to reproduce their results we show that the reference curve used by Heki (2011) to define the TEC background is strongly affected by the order of polynomial fit as well as the selected time windows. This shows that the TEC enhancement could be, in fact, just an artifact, subjectively selected to create the presumed precursor (Eisenbeis & Occhipinti in prep.b).
Cette thèse porte principalement sur deux sujets: l'un est la signature ionosphérique des éclipses solaires, l'autre est le débat ‘Hole vs Enhancement’. Le 21 août 2017, l'ombre d'une éclipse totale a changé radicalement l'état de l'ionosphère au-dessus des Etats-Unis. Cet effet est visible dans le contenu total en électrons (TEC) mesuré par ~3000 stations GNSS qui voient des multiples satellites GPS et GLONASS. Ce formidable ensemble de données permet une caractérisation à haute résolution du contenu en fréquences et des longueurs d'onde - en utilisant une analyse omega-k basée sur la Transformée de Fourier Rapide (FFT) 3D - de la signature de l'éclipse dans l'ionosphère afin d'identifier complètement les perturbations ionosphériques mobiles (TID). Nous confirmons la génération de TIDs associées à l'éclipse, y compris les TIDs interprétées comme des ondes de proue dans les études précédentes. De plus, nous révélons, pour la première fois, des TID de courte (50-100 km) et de longue (500-600 km) longueurs d'onde avec des périodes entre 30 et 65 min (Eisenbeis et al., 2019). Le 2 juillet 2019, une autre éclipse solaire totale s'est produite à travers le continent sud-américain. Bien que nous n'ayons que des données provenant de plus de cent stations GNSS et situées dans une zone proche du coucher du soleil, nous pouvons montrer la preuve évidente de la signature ionosphérique de l'éclipse (Eisenbeis & Occhipinti in prep.a). Le deuxième grand sujet de ce travail est le débat sur la possibilité de précurseurs de séismes. Heki (2011) a suscité ce débat en publiant les résultats du séisme de Tohoku montrant une amélioration de la TEC avant le séisme. L'amélioration revendiquée par Heki (2011) a été interprétée comme une diminution de la TEC après l'événement, le soi-disant trou ionosphérique dans la littérature. L'existence de l'amélioration a été promue par plusieurs articles (e.g. He & Heki, 2017) étendant l'observation à plusieurs événements de magnitude modérée (M> 7.5) et propose une nouvelle vision de la dynamique de rupture. En essayant de reproduire leurs résultats, nous montrons que la courbe de référence utilisée par Heki (2011) est affectée par l'ordre d'ajustement polynomial ainsi que par les fenêtres temporelles sélectionnées. Ceci montre que l'amélioration du TEC pourrait en fait n'être qu'un artefact, subjectivement sélectionné pour créer le précurseur présumé (Eisenbeis & Occhipinti in prep.b).
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03181359 , version 1 (25-03-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03181359 , version 1

Citer

Julian Eisenbeis. Ionospheric Dynamics by GNSS total electron content observations : the effect of Solar Eclipses and the mystery of Earthquake precursors.. Earth Sciences. Université Paris Cité, 2020. English. ⟨NNT : 2020UNIP7027⟩. ⟨tel-03181359⟩

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