Analysis of helio-geo-ionospheric proxies for short-term earthquake forecasting

Abstract

(English) Earthquakes are among the most destructive natural disasters, causing significant infrastructure damage and casualties. Between 1998 and 2018, seismic events resulted in approximately 846000 fatalities and caused economic losses totaling US$661 billion, emphasizing their profound socioeconomic impact. While thousands of earthquakes occur each year globally, only a small number are significant enough to be detected by monitoring systems or felt by people. Although earthquakes cannot be prevented, efforts have been made to reduce their consequences through risk assessment and public preparedness initiatives. Despite these advances, a reliable early warning system for earthquakes remains insufficient. The absence of consistent, deterministic precursors to seismic events is a critical challenge in developing such systems. However, research has identified small detectable geophysical signal anomalies that may appear days to weeks before major earthquakes. These anomalies involve changes in thermal infrared emissions, ionospheric scintillation, disturbances in magnetic fields, etc. While these signals are not usually present, their detection could enhance forecasting capabilities. Remote Sensing (RS) is a promising technique that provides broad spatial coverage, high temporal resolution, and the capability to observe otherwise inaccessible areas, such as oceans, deserts, and mountains. RS systems allow for continuous monitoring of the Earth's surface and atmosphere, enabling the detection of potentially earthquake-related anomalies across the lithosphere, atmosphere, and ionosphere. This Ph.D. thesis studies the use of RS techniques for earthquake precursor detection and their recent advancements. It explores Lithosphere-Atmosphere-Ionosphere Coupling (LAIC), a multidisciplinary framework that explains how seismic stress and rock deformation in the lithosphere can trigger cascading effects in the atmosphere and ionosphere. The thesis also presents results from ongoing research into short- and medium-term earthquake forecasting using Earth observation data. The Ph.D. thesis examines several satellite-derived parameters: Land Surface Temperature (LST) anomalies, Ionospheric Scintillation (IS) indices, geomagnetic field variations, and space weather data. This work aims to contribute to understanding earthquake precursors and seeks to develop practical tools for better predicting seismic events, enhancing mitigation and early warning efforts.

(Català) Els terratrèmols són un dels desastres naturals més destructius, causant un gran dany a la infraestructura i una pèrdua significativa de vides humanes. En les últimes cinc dècades, els terratrèmols han estat constantment la principal causa de mort entre tots els desastres naturals, cosa que destaca la necessitat urgent de desenvolupar mètodes de pronòstic efectius i estratègies de mitigació. Tot i que es produeixen milers de terratrèmols globalment cada any, només una petita proporció és prou forta com per ser detectada pels sistemes de monitoratge o percebuda per les persones. Entre 1998 i 2018, els esdeveniments sísmics van causar aproximadament 846.000 morts i pèrdues econòmiques per un total de 661 mil milions de dòlars, subratllant el seu profund impacte socioeconòmic. Tot i que els terratrèmols no es poden prevenir, s'han fet esforços per reduir les seves conseqüències mitjançant la modelització de riscos, codi de construcció millorats i programes de preparació pública. Malgrat aquests avenços, un sistema d'alerta primerenca fiable per a terratrèmols continua essent difícil. L'absència de precursors consistents i deterministes dels esdeveniments sísmics és un dels principals reptes en el desenvolupament d'aquests sistemes. Tanmateix, la recerca ha identificat anomalies en els senyals geofísics que poden aparèixer entre dies i setmanes abans dels grans terratrèmols. Aquestes anomalies inclouen canvis en les emissions tèrmiques infraroges, alteracions en la ionosfera, canvis en els camps magnètics i emissions de gasos. Tot i que aquestes senyals no estan presents de manera universal, la seva detecció podria millorar les capacitats de pronòstic. Tradicionalment, les anomalies s'han monitoritzat utilitzant sensors terrestres en àrees de gran risc sísmic. Tot i que són valuosos, aquests sensors estan restringits geogràficament i no poden detectar senyals en regions remotes o inaccessibles. En canvi, les tècniques de Teledetecció (RS) ofereixen una alternativa prometedora, proporcionant una àmplia cobertura espacial, alta resolució temporal i la capacitat d'observar àrees inaccessibles, com ara els oceans, els deserts i les muntanyes. Els sistemes de RS permeten un monitoratge continu de la superfície i l'atmosfera de la Terra, cosa que facilita la detecció d'anomalies potencialment relacionades amb terratrèmols a la litosfera, l'atmosfera i la ionosfera. Aquesta tesi doctoral revisa l'ús de tècniques de RS per a la detecció de precursors de terratrèmols i els seus avenços recents. Explora el concepte de l’Acoblament Litosfera-Atmòsfera-Ionosfera (LAIC), com un marc multidisciplinari capaç d’explicar com l'estrès sísmic i la deformació de les roques a la litosfera poden desencadenar efectes en cadena a l'atmosfera i la ionosfera. La tesi també presenta resultats d'investigacions en curs sobre el pronòstic de terratrèmols a curt i mig termini mitjançant dades d'observació de la Terra. La tesi doctoral examina diversos paràmetres derivats de satèl·lits: anomalies en la Temperatura Superficial del Terreny (LST), índexs de centelleig ionosfèric (IS), variacions en el camp geomagnètic i d’altres dades del clima espacial. Aquest treball pretén contribueix a la millor comprensió dels precursors dels terratrèmols i busca desenvolupar eines pràctiques per predir millor els esdeveniments sísmics, millorant els esforços de mitigació i alerta primerenca.

(Español) Los terremotos son uno de los desastres naturales más destructivos, causando un gran daño a infraestructuras y una pérdida significativa de vidas humanas. En las últimas cinco décadas, de entre todos los desastres naturales, los terremotos han sido la principal causa de muerte, lo que resalta la urgente necesidad de encontrar métodos de pronóstico efectivos y estrategias de mitigación. Aunque ocurren miles de terremotos globalmente cada año, sólo una pequeña proporción es lo suficientemente importante como para ser detectada por los sistemas de monitoreo o percibida por las personas. Entre 1998 y 2018, los eventos sísmicos causaron aproximadamente 846,000 muertes y pérdidas económicas por un total de 661 mil millones de dólares, lo que resalta su profundo impacto socioeconómico. Aunque los terremotos no se pueden prevenir, sí que se han realizado grandes esfuerzos para reducir sus consecuencias mediante la modelización de riesgos, códigos de construcción mejorados y programas de prevención. A pesar de estos avances, un sistema de alerta temprana confiable para terremotos sigue siendo muy difícil. La ausencia de precursores consistentes y deterministas de los eventos sísmicos es uno de los principales desafíos para el desarrollo de dichos sistemas. Sin embargo, la investigación ha identificado señales geofísicas débiles o indirectas, llamadas anomalías, que pueden aparecer de días a semanas antes de los grandes terremotos. Estas anomalías incluyen cambios en las emisiones térmicas infrarrojas, perturbaciones en la ionosfera, alteraciones en los campos magnéticos y emisiones de gases. Aunque estas señales no están presentes de manera universal, su detección sí podría mejorar las capacidades de pronóstico. Tradicionalmente, las anomalías se han monitoreado utilizando sensores terrestres en áreas de alto riesgo sísmico. Aunque valiosos, estos sensores están restringidos geográficamente y no pueden detectar señales en regiones remotas o inaccesibles. En cambio, las técnicas de Teledetección (RS) ofrecen una alternativa prometedora, proporcionando una amplia cobertura espacial, alta resolución temporal y la capacidad de observar áreas inaccesibles, como océanos, desiertos y montañas. Los sistemas de RS permiten la monitorización continua de la superficie de la Tierra y de la atmósfera, lo que posibilita la detección de anomalías potencialmente relacionadas con terremotos en la litosfera, la atmósfera y la ionosfera. Esta tesis de doctorado revisa el uso de técnicas de RS para la detección de precursores de terremotos y sus avances recientes. Explora el Acoplamiento Litosfera-Atmósfera-Ionosfera (LAIC) como un marco multidisciplinario que explica cómo el estrés sísmico y la deformación de las rocas en la litosfera pueden desencadenar efectos en cascada en la atmósfera y la ionosfera. La tesis también presenta resultados de investigaciones en curso sobre el pronóstico de terremotos a corto y medio plazo utilizando datos de observación de la Tierra. La tesis doctoral examina varios parámetros derivados de los satélites: anomalías en la Temperatura Superficial del Suelo (LST), índices de centelleo ionosférico (IS), variaciones en el campo geomagnético, así como otros parámetros del clima espacial. Este trabajo pretende contribuir a la comprensión de los precursores de los terremotos y busca desarrollar herramientas prácticas para predecir mejor los eventos sísmicos, mejorando los esfuerzos de mitigación y alerta temprana.