DOI: https://doi.org/10.26443/seismica.v5i1.2015
تاريخ النشر: 2026-03-18
المؤلف: Piero Poli وآخرون
الموضوع الرئيسي: الموجات الزلزالية والتحليل
نظرة عامة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون قدرات أجهزة قياس الزلازل العريضة النطاق، التي تم تصميمها بشكل أساسي لتسجيل النشاط الزلزالي الناتج عن الزلازل، ولكنها أيضًا تلتقط مجموعة متنوعة من الإشارات من واجهة الأرض-الغلاف الجوي-المحيط التي غالبًا ما تعتبر ضوضاء. بشكل محدد، يركزون على اكتشاف إشارات الجاذبية الضعيفة والدورية في النطاق تحت الزلزالي (1-24 ساعة) باستخدام تقنية تجميع قائمة على التماسك تطبق على شبكات زلزالية كبيرة. تستخدم الدراسة ثلاث سنوات من بيانات الزلازل العمودية والضغط المتزامنة من USArray لتحديد الأصل الجوي لهذه التذبذبات.
تكشف التحليلات عن وجود علاقة قوية بين تغيرات الضغط الجوي وتسارع الزلازل خلال فترات المد الجوي الجوي، مدعومة بتحليل التماسك ودالة النقل. تظهر دالة النقل اعتمادًا على التردد مشابهًا للملاحظات من موازين الجاذبية فائقة التوصيل، مع مرحلة سلبية باستمرار تشير إلى أن الزيادات في الضغط الجوي تؤدي إلى انخفاضات في تسارع الجاذبية. تؤكد هذه النتيجة أن التغيرات في الكتلة الجوية هي الآلية الرئيسية التي تؤثر على هذه الإشارات الجاذبية. تُظهر الأبحاث أن أجهزة قياس الزلازل العريضة النطاق يمكنها اكتشاف تغيرات الجاذبية الجوية التي تصل إلى 10-100 نانوغالا، مما يبرز إمكاناتها في قياس الجاذبية ومراقبة الديناميات الجوية. علاوة على ذلك، توفر المنهجية وسيلة لتقدير الضوضاء الجوية في النطاق تحت الزلزالي، مما يعزز اكتشاف إشارات الأرض الصلبة من خلال تقليل التلوث الناتج عن التأثيرات الجوية.
مقدمة
ت outlines المقدمة أهمية تذبذبات الضغط الجوي، التي تتأثر بالتسخين الشمسي والقوى الجاذبية للأجسام السماوية، وخاصة الشمس والقمر. هذه التذبذبات، التي تمت دراستها بشكل أساسي من خلال بيانات الأقمار الصناعية، تظهر أيضًا كتغيرات في الضغط تسجلها البارومترات على سطح الأرض. تؤكد الدراسة على أهمية فهم هذه الديناميات في الجيوفيزياء للأرض الصلبة، حيث يمكن أن تحفز اضطرابات جاذبية قابلة للاكتشاف، وخاصة من خلال الجذب النيوتوني، الذي يكون أكثر وضوحًا في الفترات تحت الزلزالية (1 إلى 24 ساعة). يتم تحديد العلاقة بين اضطرابات الجاذبية ($\Delta g$) وتغيرات الضغط ($\Delta P$) من خلال المعادلة $\Delta g / \Delta P = -4.24 \times 10^{-11} \, \text{m/s}^2 \, \text{Pa}^{-1}$، مما يشير إلى أن تغيرات الضغط الجوي النموذجية يمكن أن تؤدي إلى تغييرات في الجاذبية في حدود $10^{-7}$ إلى $10^{-9} \, \text{m/s}^2$.
تسلط الورقة الضوء على التحديات في اكتشاف هذه الإشارات الجاذبية باستخدام أجهزة قياس الزلازل، التي غالبًا ما تكون أكثر ضوضاءً من موازين الجاذبية فائقة التوصيل. ومع ذلك، فإن التوافر الواسع لبيانات الزلازل العريضة النطاق يمثل فرصة لاستكشاف هذه الإشارات بشكل أكبر. لقد أدت التقدمات الحديثة، وخاصة نهج التجميع القائم على التماسك الذي قدمه بولي وآخرون (2025)، إلى تحسين حساسية أجهزة قياس الزلازل لاكتشاف الإشارات المتعلقة بالجاذبية في الفترات تحت الزلزالية. تهدف هذه الدراسة إلى ربط كمي للإشارات التوافقية المسجلة بواسطة أجهزة قياس الزلازل بتغيرات الضغط الجوي، باستخدام بارومترات وأجهزة استشعار زلزالية متزامنة عبر شرق الولايات المتحدة. من خلال استخدام تقنيات تم تكييفها من موازين الجاذبية فائقة التوصيل، تسعى الأبحاث إلى إنشاء علاقة تعتمد على التردد بين الضغط وتسارع الجاذبية، مما يعزز فهم التأثيرات الجوية على بيانات الزلازل ويوفر رؤى حول كل من العمليات السطحية وعمق الأرض.
مناقشة
في هذه الدراسة، قمنا بتحليل بيانات الضغط والتسارع من USArray المسجلة بين يناير 2012 وديسمبر 2014، باستخدام 718 محطة زلازل عريضة النطاق وبارومتر للتحقيق في العلاقة بين المد الجوي الجوي والإشارات الزلزالية. تم معالجة البيانات مسبقًا للحصول على التسارع بوحدات m/s² والضغط بوحدات باسكال، باستخدام تقنيات مثل فك تشفير مستوى الماء وتصفية النطاق. قمنا بحساب التماسك بين بيانات الضغط والزلازل، مما يكشف عن إشارات قوية عند كسور عددية من يوم واحد، مما يدعم الفرضية بأن الديناميات الجوية تؤثر بشكل كبير على تسارع الجاذبية المحلي كما تقيسه أجهزة قياس الزلازل.
تم تقدير دالة النقل المتوسطة عبر الشبكة (TF) لتحديد العلاقة بين الضغط والتسارع، حيث أظهرت اعتمادًا على التردد مع قيمة متوسطة قدرها \(1.69 \times 10^{-10} \, \text{m/s}^2 \, \text{Pa}^{-1}\) للترددات بين 3.2 و16 دورة في اليوم (cpd). تشير النتائج إلى علامة سلبية لدالة النقل، متوافقة مع مبادئ الجذب النيوتوني، حيث يرتبط الضغط المتزايد بانخفاض التسارع. من الجدير بالذكر أن نتائجنا تسلط الضوء على أهمية تقنيات معالجة البيانات، مثل تبييض الطيف، الذي يعزز اكتشاف الإشارات المستقرة مع تقليل الضوضاء العابرة. بشكل عام، تؤكد هذه الأبحاث على إمكانات الشبكات الزلزالية العريضة النطاق لاكتشاف إشارات الجاذبية الدقيقة المرتبطة بالمد الجوي الجوي، مما يوفر أداة قيمة للدراسات الديناميكية الجيولوجية المستقبلية.
DOI: https://doi.org/10.26443/seismica.v5i1.2015
Publication Date: 2026-03-18
Author(s): Piero Poli et al.
Primary Topic: Seismic Waves and Analysis
Overview
In this section, the authors discuss the capabilities of broadband seismometers, which, while primarily designed to record seismic activity from earthquakes, also capture a variety of signals from the Earth-atmosphere-ocean interface that are often considered noise. Specifically, they focus on the detection of weak, periodic gravity signals in the sub-seismic band (1-24 hours) using a coherence-based network stacking technique applied to large seismic arrays. The study utilizes three years of collocated vertical seismic and pressure data from USArray to establish the atmospheric origin of these oscillations.
The analysis reveals a strong correlation between atmospheric pressure changes and seismic acceleration during atmospheric tide periods, supported by coherence and transfer function analysis. The transfer function exhibits frequency dependence akin to observations from superconducting gravimeters, with a consistently negative phase indicating that increases in atmospheric pressure lead to decreases in gravitational acceleration. This finding confirms that variations in atmospheric mass are the primary mechanism influencing these gravity signals. The research demonstrates that broadband seismometers can detect atmospheric gravity variations as small as 10-100 nanogals, highlighting their potential for gravimetry and atmospheric dynamics observation. Furthermore, the methodology provides a means to estimate atmospheric noise in the sub-seismic range, thereby enhancing the detection of solid Earth signals by mitigating contamination from atmospheric effects.
Introduction
The introduction outlines the significance of atmospheric pressure oscillations, which are influenced by solar heating and the gravitational forces of celestial bodies, particularly the Sun and Moon. These oscillations, primarily studied through satellite data, also manifest as pressure changes recorded by barometers on Earth’s surface. The study emphasizes the importance of understanding these dynamics in solid Earth geophysics, as they can induce detectable gravity perturbations, particularly through Newtonian attraction, which is most pronounced at sub-seismic periods (1 to 24 hours). The relationship between gravity perturbations ($\Delta g$) and pressure variations ($\Delta P$) is quantified by the equation $\Delta g / \Delta P = -4.24 \times 10^{-11} \, \text{m/s}^2 \, \text{Pa}^{-1}$, indicating that typical atmospheric pressure variations can lead to gravity changes on the order of $10^{-7}$ to $10^{-9} \, \text{m/s}^2$.
The paper highlights the challenges in detecting these gravity signals using seismometers, which are often noisier than superconducting gravimeters. However, the widespread availability of broadband seismic data presents an opportunity to investigate these signals further. Recent advancements, particularly a coherence-based stacking approach introduced by Poli et al. (2025), have improved the sensitivity of seismometers to detect gravity-related signals at sub-seismic periods. This study aims to quantitatively link harmonic signals recorded by seismometers to atmospheric pressure variations, utilizing collocated barometers and seismic sensors across the eastern United States. By employing techniques adapted from superconducting gravimeters, the research seeks to establish a frequency-dependent relationship between pressure and gravitational acceleration, thereby enhancing the understanding of atmospheric influences on seismic data and providing insights into both surface and deep Earth processes.
Discussion
In this study, we analyzed pressure and acceleration data from the USArray recorded between January 2012 and December 2014, utilizing 718 broadband seismic stations and a barometer to investigate the relationship between atmospheric tides and seismic signals. The data were preprocessed to obtain acceleration in m/s² and pressure in Pascals, employing techniques such as water-level deconvolution and bandpass filtering. We computed coherence between pressure and seismic data, revealing strong signals at integer fractions of one day, which supports the hypothesis that atmospheric dynamics significantly influence local gravitational acceleration as measured by seismometers.
The network-averaged transfer function (TF) was estimated to quantify the relationship between pressure and acceleration, showing a frequency-dependent admittance with an average value of \(1.69 \times 10^{-10} \, \text{m/s}^2 \, \text{Pa}^{-1}\) for frequencies between 3.2 and 16 cycles per day (cpd). The results indicate a negative sign for the TF, consistent with Newtonian attraction principles, where increased pressure correlates with decreased acceleration. Notably, our findings highlight the importance of data processing techniques, such as spectral whitening, which enhances the detection of stable signals while reducing transient noise. Overall, this research underscores the potential of broadband seismic networks to detect subtle gravity signals associated with atmospheric tides, thus providing a valuable tool for future geodynamic studies.