CNFG2  2016  –  Brest    Lucie  Rolland,  Géoazur/OCA/UCA  lrolland@geoazur.unice.fr  V.  Rakoto  (IPGP)  A.  Sladen  (Géoazur)  P.  Lognonné  (IPGP)  

Observa(on  des  tsunamis  depuis  l’espace  par  sismologie  ionosphérique  

SEISME  =  SIGNAL  

AIR  =  AMPLIFICATEUR  

troposphère  

1  cm/s  

~100  m/s  

250  km  en  7-­‐8  min  

GPS  

L’atmosphère est sensible aux secousses sismiques thermosphère  

SEISME  =  SIGNAL  

AIR  =  AMPLIFICATEUR  

troposphère  

1  cm/s  

~100  m/s  

250  km  en  7-­‐8  min  

GPS  

L’ionosphère est sensible aux secousses sismiques ionosphère  

PLASMA  =  REVELATEUR  

L. Loudet

The  ionosphere  -­‐  an  acKve  medium  

TEC map : GAIM by JPL

4

Images : SOHO

L’ionosphère:  un  milieu  acKf  L’ionosphère: un milieu très actif

GNSS  satellites  

Récepteur  GPS  bi-­‐fréquence  

Goo

gle

Eart

h

GEONET  :  ~1200  récepteurs  GPS/GNSS    

1  TECU  =  1e16  electrons/m2  

5

compression  

dilataKon  

Mesurer les ondes ionosphériques co-sismiques

2  fréquences  

Rolland et al. (2011b)

Photo T. Yahagi (GSI)

Données  «  TEC  »  filtrées  entre  1  to  10  mHz  

Vers  le  haut  

Vers  le  bas  

Imager les ondes ionosphériques co-sismiques

compression  

dilataKon  

Rolland et al. (2011b)

Réponse  ionosphérique  aux  tsunamis  

Réponse  ionosphérique  aux  tsunamis  Functioning DART buoyNon-functioning DART buoyGPS receiver

Kherani, Rolland et al. (2016)

Réponse  ionosphérique  aux  tsunamis  Functioning DART buoyNon-functioning DART buoyGPS receiver

Notre  objecKf:    Inverser  les  données  ionosphériques  pour  reconstruire  l’onde  de  tsunami    

et  u(liser  les  récepteurs  GNSS  comme  tsunamimètre  -­‐>  ModélisaKon  quanKtaKve  

Kherani, Rolland et al. (2016)

NAS

A im

age

Les  tsunamis  génèrent  des  ondes  de  gravité  atmosphériques  

 Ondes  de  gravité  

transverses  

Ondes  de  gravité  N

ASA

imag

e

http://scienceblogs.com

Force  prépondérante:  Force  d’Archimède  

GFD-Online GFD-Online

Force  prépondérante:  Force  de  gravité  

Modélisa(on  du  signal  –  modes  propres  

© L

ogno

nné

and

Clév

édé

(200

2)

Coïsson et al. (2015)

+25km

-25km

Conception Vidéo: Rolland & Coïsson

Première  modélisa(on:  observa(on  par  radio-­‐occulta(on  GPS-­‐COSMIC  

Coïsson  et  al.  (2015)  

Coïsson  et  al.  (2015)  

Première  modélisa(on:  observa(on  par  radio-­‐occulta(on  GPS-­‐COSMIC  

-1

0

1

Filte

red

TEC

(TEC

U)

-1

0

1

Filte

red

TEC

(TEC

U)

08:28 08:29 08:30 08:31 08:32 08:33 08:34 08:35 08:36 08:37 08:38UT [h:m]

Mesured TEC Modeled TEC

passband : 0.05Hz-0.07Hz

passband : 0.05Hz-0.1Hz

Modélisa(on  du  signal  

Coïsson  et  al.  (2015)  

2012/10/28,  Mw  7.8  

The  Haida  Gwaii  tsunami  

Model and video A. Sladen, Géoazur

2012/10/28,  Mw  7.8  

The  Haida  Gwaii  tsunami  

Rolland  et  al.,  (2014)  

2012/10/28,  Mw  7.8  

The  Haida  Gwaii  tsunami  

Empreinte ionosphérique d’un tsunami

+25km

-25km

Conception Vidéo: Rolland & Coïsson

+47  min.  

+47  min.  +47  min.  

+47  min.  +47  min.   +47  min.  

Comparaison données/modèle

Signal plus faible Signal plus fort

Rolland  et  al.,  (2014)  

ConcepQon  Vidéo:  Rolland  &  Coïsson  

RAKOTO ET AL.: TSUNAMI NORMAL MODES RESONANCE X - 61

20

40

60

Latit

ude(

°)140 160 180 200 220

Longitude (°)

Epicenter

Dart 51407

Station radf

a)

20

40

60

20

40

60

140 160 180 200 220

140 160 180 200 220

−0.3

−0.2

−0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

dTE

C(T

EC

U)

5 6 7 8 9

Time after Earthquake (Hr)

−0.3

−0.2

−0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

dTE

C(T

EC

U)

5 6 7 8 9

Time after Earthquake (Hr)

GPS Data

c)

Synthetics (−11.7 mn)

radf Sat 17 Source USGS /1.0 −2.6 mHz

12

16

20

24

Latit

ude(

°)

200 204 208

Longitude (°)

b)

Dart 51407

Station radf

Sat 29

Sat 17

12

16

20

24

12

16

20

24

200 204 208

200 204 208

−0.3

−0.2

−0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

dTE

C(T

EC

U)

5 6 7 8 9

Time after Earthquake (Hr)

−0.3

−0.2

−0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

dTE

C(T

EC

U)

5 6 7 8 9

Time after Earthquake (Hr)

GPS DataSynthetics (−11.7 mn)

radf Sat 29 Source USGS /1.0 −2.6 mHzd)

−2.5−2.0−1.5−1.0−0.5

0.00.51.01.52.02.5

Tsu

nam

i hei

ght (

cm)

5 6 7 8 9

Time after Earthquake (Hr)

−2.5−2.0−1.5−1.0−0.5

0.00.51.01.52.02.5

Tsu

nam

i hei

ght (

cm)

5 6 7 8 9

Time after Earthquake (Hr)

Dart buoy Synthetics (−11.7 mn)

e)Dart buoy 51407 Source USGS / 1.0 − 2.6 mHz

Figure 14. a) Map centered on the location of the 2006 Kuril Islands tsunami. b) Map

centered in Hawaii. The black line represents the trace of the radf station and satellite

17 and the white line represents the trace of the radf station and satellite 29 between 5h

and 9h after the Earthquake. c) Perturbed TEC for the station radf and the satellite 17.

d) Perturbed TEC for the station radf and the satellite 17. e) Tsunami height for the

dart buoy 51407. We filtered data and synthetics between 1 mHz and 2.6 mHz. A shift

of -11.7 mn is applied to the normal synthetics.

D R A F T November 13, 2016, 6:47pm D R A F T

Autre événement: Kurils 2006 Mw 8.3

Rakoto  et  al.  (en  révision)  

Détection des tsunamis depuis l’ionosphère -­‐  Un  point  d’observaKon  équipé  d’un  récepteur  mulK-­‐GNSS  (GPS  +  Galileo  +  GLONASS  ...)  permet  de  sonder  mulKdirecKonnellement  l’ionosphère,  ce  qui  est  suffisant  pour  confirmer  l’origine  tsunamogène  de  la  pertubaKon  observée    -­‐  Les  satellites  GNSS  sondant  en  amont  du  tsunami  n’observe  pas  ou  peu  tandis  que  ceux  qui  sondent  en  aval  observe  le  signal  de  tsunami    -­‐  La  modélisaKon  par  sommaKon  de  modes  propres  est  une  méthode  physique  et  rapide  permekant  de  reproduire  les  propriétés  génériques    de  la  perturbaKon  ionosphérique  tsunamogène  

Rolland  et  al.,  (2014)  

Utilisation tsunamimétrique des données GPS ionosphériques: cas tsunami Haida Gwaii

Sur   la   base   du   formalisme   des   modes   propres,   inversion   par  moindres  carrés  des  paramètres  de  la  source  sismique  (composantes  du  tenseur  des  moments)  puis  reconstrucQon  par  sommaQon.      

4.5 5 5.5 6 6.5−0.4

−0.2

0

0.2

0.4 PRN 07 kosm / 0.2 − 2.6mHz

Time after Earthquake(Hour)

dS

TE

C(T

EC

U)

GPS dataLSQ Inversion

4.5 5 5.5 6 6.5−1.5

−1

−0.5

0

0.5

1

1.5

Time after Earthquake(Hour)

Tsunam

i heig

ht(

cm

)

Dart data 51407LSQ Inversion

X - 60 RAKOTO ET AL.: TSUNAMI NORMAL MODES RESONANCE

20

40

60

Latit

ude(

°)

200 220 240

Longitude (°)

Epicenter

Dart 51407

Station radf

a)

20

40

60200 220 240

16

20

24

Latit

ude(

°)

200 204 208

Longitude (°)

b)

Dart 51407 Station radf

Sat 07

16

20

24

16

20

24

200 204 208

200 204 208

−0.4−0.3−0.2−0.1

0.00.10.20.30.4

dTE

C (

TE

CU

)

4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0

Time after Earthquake (Hr)

−0.4−0.3−0.2−0.1

0.00.10.20.30.4

dTE

C (

TE

CU

)

4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0

Time after Earthquake (Hr)

−0.4−0.3−0.2−0.1

0.00.10.20.30.4

dTE

C (

TE

CU

)

4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0

Time after Earthquake (Hr)

GPS dataSynthetics (point source,−9.5mn)Synthetics (extended source,−9.5mn)

kosm Sat 07 Source USGS /0.2 −2.6 mHzc)

−5−4−3−2−1

012345

Tsu

nam

i hei

ght (

cm)

4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0

Time after Earthquake (Hr)

−5−4−3−2−1

012345

Tsu

nam

i hei

ght (

cm)

4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0

Time after Earthquake (Hr)

−5−4−3−2−1

012345

Tsu

nam

i hei

ght (

cm)

4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0

Time after Earthquake (Hr)

Dart buoySynthetics (point source,−9.5mn)Synthetics (extended source,−9.5mn)

d)

Dart buoy 51407 Source USGS /0.2 −2.6 mHz

Figure 13. a) Map centered on the location the 2012 Haida Gwaii tsunami.b) Map

centered in Hawaii. The white line represents the trace of the kosm station and satellite 07

between 4 h and 7h after the Earthquake. c) Perturbed TEC for the station kosm and the

satellite 07. d) Tsunami height for the dart buoy 51407. We filtered data and synthetics

between 0.2 mHz and 2.6 mHz. Both point source and extended source modeling are

shown. As expected the point source modeling give us a too high amplitude. A shift of

-9.5 mn is applied to the synthetics.

D R A F T November 13, 2016, 6:47pm D R A F T

Rakoto  et  al.  (en  préparaQon)  

24

De nouvelles données en perspective: l’ère du multi-GNSS GPS  

Récepteurs  mobiles  

Récepteurs  fixes  

QZSS  GLONASS   Beidou   Galileo  

Plus  de  120  sat.  GNSS  en  2020    Ionosphere  :  ~30  points  de  

mesure  par  staKon  

L’avenir: embarquer des récepteurs GNSS miniaturisés sur des plateformes mobiles

 -­‐  MiniaturisaKon  antennes  et  

récepteurs    -­‐  Transmission  des  données  en  

temps  réel  

-­‐  Faibles  coût  et  consommaKon    

8

The 3-element patch antenna array is shown in Figure 5. Each antenna is connected to an input port of a 3-way RF switch, with the output of the switch connected to the FOTON receiver. The RF switch sequentially selects each of the antennas, which produces a predictable apparent motion in the phase center of the antenna array. This system takes advantage of the 20 cm spacing of the antennas, and the corresponding predictable effect on the carrier phase of the direct signal (line-of-sight) and multipath signals (reflected off of elements of the ISS) in order to mitigate the effects of the multipath signal on the radio occultation measurements. The multipath mitigation measures will initially be performed by post-processing the FOTON GPS data on the ground. However, the system has been designed so that multipath mitigation algorithms may be implemented onboard (within the FOTON receiver), by uploading new firmware to the experiment once it is on-orbit. This more sophisticated operating mode will only be attempted after the minimum success of the experiment has been achieved.

Fig 5. 3-element patch antenna array used for multipath mitigation for the FOTON GPS radio occultation receiver, shown during vibration testing at NRL. The FOTON GPS receiver is the gold

box, lower left. The Aerospace Corporation supplied the patch antennas, and NRL supplied the ground plane.

At the end of FY2014 the FOTON flight unit was delivered to NRL, and in FY2015 the Principal Investigator (S. Powell) travelled to NRL a total of 8 times for a series of hardware and software tests, and for integration with the other elements of the GROUP-C experiment. These tests were devised to test the FOTON receiver and antenna array in as realistic conditions as possible. The tests included vibration testing, thermal cycling in a temperature chamber, and outdoor testing so that the antenna array would be illuminated with realistic GPS signal levels (see Figure 6). This outdoor test was extremely important since the remainder of the testing takes place in controlled laboratory settings, and while similar to the environment expected on orbit, it is extremely challenging to duplicate the outdoor RF environment.

Powell  et  al.  (2015)  

Surveiller  les  tsunamis  depuis  l’espace  

GPS  

GPS  

Tomographie  ionosphérique  

Satellite  In-­‐Situ  

Sondeur  Dopller  

OccultaKon  

UV  

Merci de votreattentionAi

rglow  

LEO  

GPS