Μη γραμμικοί αλγόριθμοι μοντελοποίησης και πρόβλεψης γεωδυναμικών και δορυφορικών σημάτων

Abstract

The aim of this Thesis was the study of 2 different geophysical systems, which belong to the type of nonlinear spatially distributed complex systems, such as: a) The lithospheric system concerning the broad Hellenic region and b) the Earth’s magnetosphere. In order to search for Chaotic Dynamics, Self Organized Criticality and Intermittent Turbulence. In these systems we used tools from nonlinear time series analysis which include: a) The estimation of geometrical and dynamical characteristics in the state space, b) Techniques for the discrimination between low dimensional nonlinear determinism and linear stochastic processes, as well as for the existence of deterministic input-output dynamics, c) Nonlinear algorithms for prediction. The results of this Thesis showed: a) The existence of a global low dimensional spatiotemporal chaotic attractor concerning seismogenesis in Hellenic region, b) The existence of high dimensional processes which correspond to self organized critical states and highly developed turbulence and c) As far as earth’s magnetospheric dynamics is concerned, the existence of low dimensional chaos during magnetospheric substorms and intermittent turbulence in calm periods, while, for the first time, a phase transition process in magnetospheric dynamics is observed from high dimensional stochastic to low dimensional and chaotic dynamics. Furthermore, in this Thesis common dynamics were observed concerning seismogenesis and magnetospheric substorms, which correspond to energy accumulation and to bursting release of their energy through localized instabilities, such as earthquakes and substorms. Finally, this Thesis opens a novel road of combining experimental analysis and modern theoretical framework for the understanding of different physical processes far from equilibrium.

Σκοπός της διατριβής αυτής ήταν η μελέτη δύο διαφορετικών γεωφυσικών συστημάτων που ανήκουν στην κατηγορία των μη γραμμικών χωρικώς πολύπλοκων συστημάτων: α) στο λιθοσφαιρικό σύστημα του ευρύτερου Ελλαδικού χώρου και β) η γήινη μαγνητόσφαιρα. Για την ανίχνευση, στα συστήματα αυτά, χαοτικής δυναμικής, διεργασιών αυτοοργανούμενης χρησιμότητας και διαλειπτικής τύρβης, χρησιμοποιήθηκαν εργαλεία της μη γραμμικής ανάλυσης χρονοσειρών, που αφορούν: α) την εκτίμηση των γεωμετρικών και δυναμικών χαρακτηριστικών του συστήματος στον χώρο κατάστασης, β) τεχνικές ελέγχου για τη διάκριση μεταξύ χαμηλοδιάστατου μη γραμμικού ντετερμινισμού και γραμμικών στοχαστικών διεργασιών όπως επίσης και την ύπαρξη ντετερμινιστικής δυναμικής εισόδου-εξόδου, γ) μη γραμμικούς αλγορίθμους πρόβλεψης. Τα αποτελέσματα της παρούσας διδακτορικής διατριβής έδειξαν: α) την ύπαρξη χαμηλοδιάστατου χωροχρονικού χαοτικού ελκυστή που αφορά την σεισμογένεση στον Ελλαδικό χώρο, β) την ύπαρξη υψηλοδιάστατων διεργασιών που αντιστοιχούν σε καταστάσεις αυτοοργανούμενης κρισιμότητας και υψηλά αναπτυγμένης τύρβης και γ) όσον αφορά τη μαγνητοσφαιρική δυναμική, την ύπαρξη χαμηλοδιάστατου χάους κατά τη διάρκεια ισχυρών μαγνητοσφαιρικών καταιγίδων, όπως επίσης και διαλειπτικής τύρβης σε ήρεμες περιόδους, ενώ για πρώτη φορά διαπιστώθηκε το φαινόμενο της αλλαγής φάσης της μαγνητοσφαιρικής δυναμικής από στοχαστική και υψηλοδιάστατη σε χαμηλοδιάστατη και χαοτική δυναμική. Επιπλέον, στη διατριβή αυτή διαπιστώθηκε κοινή δυναμική μεταξύ σεισμογένεσης και γένεσης μαγνητοσφαιρικών καταιγίδων, που αντιστοιχεί στην συσσώρευση ενέργειας και στην εκρηκτική της απελευθέρωσης μέσω τοπικών ασταθειών υπό μορφή σεισμών και υποκαταιγίδων. Τέλος, με την εργασία αυτή ανοίγει ένας ουσιαστικός και καινοτόμος δρόμος συνδυασμού πειραμάτων και θεωρίας για την κατανόηση ποικίλων διαφορετικών φυσικών δυναμικών μακριά από θερμοδυναμική ισορροπία.