Kredit:CC0 Public Domain
En fredag eftermiddag i foråret 2011 Tōhoku-Oki jordskælvet rystede det nordøstlige Japan i seks minutter og flyttede landets hovedø med 8 fod. Minutter senere, indbyggere begyndte at modtage tsunamiadvarsler gennem tv-medier, mobiltelefoner og sirener.
Men de første alarmer undervurderede størrelsen af bølgerne, og mange mennesker formåede ikke at evakuere til jorden højt nok til at undslippe bølgerne, der fejede ind over dele af kysten - nogle i højder op til 120 fod.
Da det kom ud af katastrofen, Japan installerede et netværk af seismiske og tryksensorer på havbunden, der har hævet barren for tsunami-varslingssystemer verden over. Nu, ny forskning udført af forskere ved School of Earth, Energy &Environmental Sciences (Stanford Earth) foreslår, hvordan advarsler baseret på datastreaming i realtid fra sensorer som dem i Japan kunne gøres mere nøjagtige ved at kombinere det med tsunamisimuleringer.
Udgivet i den peer-reviewede Geofysiske forskningsbreve , undersøgelsen beskriver en ny metode designet specifikt til lokale tidlige tsunamivarsler. "Det betyder at advare kystbeboere om, at en tsunamibølge genereret 50 eller 100 miles offshore kommer inden for de næste 20 til 30 minutter, " sagde senior forfatter Eric Dunham, en lektor i geofysik ved Stanford Earth.
Her, Dunham og hovedforfatter Yuyun Yang, en ph.d.-studerende ved Stanford's Institute for Computational &Mathematical Engineering, diskutere deres metode, og hvordan den i fremtiden endda kan anvendes på steder, hvor der mangler dedikerede offshore-sensorer, som i øjeblikket kun er indsat i Japan.
Hvordan fungerer tsunamivarslingssystemer i dag?
Eric Dunham:Nuværende tsunamivarslingssystemer begynder med et skøn over jordskælvsegenskaber fra seismiske bølger, Brug derefter forudberegnet forhold mellem jordskælv og de tsunamier, de genererer.
De fleste tsunamier er forårsaget af et offshore jordskælv, der presser havet op eller ned. Når tyngdekraften trækker vandet tilbage mod ligevægt, en tsunami er født. Men tsunamier kan også opstå på andre måder. Undersøiske jordskred, som kan ledsage et jordskælv eller opstå uafhængigt, er et klassisk eksempel. Traditionelle varslingssystemer savner fuldstændig tsunamier fra den slags kilder.
Hvordan er din metode anderledes?
Yuyun Yang:Når en tsunamibølge bevæger sig gennem havet, det ændrer tryk i hele vandsøjlen. Vores metode rekonstruerer havoverfladen og estimerer bølgehøjder baseret på tryk detekteret af offshore-sensorer, når tsunamien passerer forbi.
Dunham:Yuyun fandt ud af, hvordan man anvender en dataassimileringsteknik, kendt som ensemblet Kalman filter, hurtigt at rekonstruere tsunamibølgefeltet på et tidspunkt, brug derefter tsunamibølgeudbredelsessimuleringer til at forudsige, hvordan bølgerne udvikler sig, når de bevæger sig mod land, giver i sidste ende prognoser for bølgehøjde og ankomsttid ved kysten.
Yang:Vores prognoser begynder at stabilisere sig inden for et par minutter. Dette giver statslige myndigheder 10 til 20 minutter til at udstede advarsler og beboere til at evakuere.
Dunham:En lignende dataassimileringsmetode foreslået til brug i Japans advarselssystem, kaldet optimal interpolation, tilbyder lignende forudsigelser, men med mindre nøjagtighed og konsistens i nogle tilfælde. Forudsigelser med den metode kan svinge afhængigt af, hvornår prognosen laves. En prognose vil sige, "Bølgen bliver 10 fod høj." To minutter senere:"Bølgen er 3 fod høj." Vores tilgang reducerer disse udsving, især når offshore-sensorer er langt fra hinanden.
Data assimilation metoder er dyrere beregningsmæssigt end traditionelle metoder baseret på seismiske bølger, men de giver prognoser, der bliver mere og mere nøjagtige med fortsat assimilering af data.
Traditionelle seismisk-baserede metoder kunne bruges til at udstede de første advarsler, og så kunne en metode som vores bruges til at opdatere disse prognoser. Tilgangene er komplementære.
Den dataassimileringsteknik, du har anvendt, er ikke ny. Hvorfor er denne tilgang ikke blevet anvendt på tsunamivarslingssystemer før?
Dunham:Denne nye teknologi – offshore-sensorer forbundet via fiberoptisk kabel til land – gør det muligt for data at streame i næsten realtid tilbage til computere, hvor de kan behandles og bruges i advarselssystemer.
Disse sensornetværk er ekstremt dyre at implementere og vedligeholde, og videnskabsmænd og ingeniører kæmper med komplikationer med dataene. Tidevand, strømme, ændringer i temperatur og saltholdighed kan få disse instrumenter til at fortælle dig, at der er en ændring i tryk eller bølgehøjde, når der ikke er det. Men så længe du har et skøn over usikkerheden i dataene, så kan metoden fortælle dig, hvordan du bedst udnytter disse data.
Du har testet din metode på en simulering af en tsunami, da den sandsynligvis ville udspille sig ud for Washingtons kyst, Oregon og British Columbia. Er et system, der viser sig effektivt, sandsynligvis lige så effektivt i Californien, Indonesien, Japan eller andre steder?
Yang:Fysikken er den samme overalt, men de fleste regioner har ikke de kablede arrays installeret, som ville gøre det muligt at implementere denne metode.
Dunham:Lige nu, Japan er det eneste land, der har besluttet at investere i denne teknologi med henblik på tidlig varsling, sandsynligvis fordi de har jordskælv og tsunamier så ofte, og fordi begivenheden i 2011 var så katastrofal.
Er der nogen billigere løsninger i horisonten?
Dunham:Der er en spændende mulighed for at bruge eksisterende fiberoptiske kabler, der dækker mange havbunde. De fleste af disse fiberoptiske kabler har ikke bundtryksensorer, men der kan være måder at måle bølgeinduceret strækning af disse kabler for potentielt at få et skøn over tryk og bølgehøjde.
Yang:En anden mulighed er at bruge GPS-stationer på kommercielle skibe, som måler vandhøjden på et givet sted på havet. Vores tilgang kunne anvendes på data fra en af disse kilder.
Hvorfor ikke bare bruge selve jordskælvet som en advarsel?
Dunham:Det er den anbefalede tilgang i lande uden avanceret instrumentering:Hvis du føler dig stærk og langvarig rysten, komme i høj jord. Men hvis du kan give mere kvantitative prognoser, mange mennesker og agenturer vil være i stand til at bruge disse oplysninger. Hvis du driver et atomkraftværk med en strandvold af en vis højde, det kan have betydning, om bølgen bliver 10 fod høj eller 12 fod høj.
Yang:Under Tōhoku jordskælvet, en masse mennesker flygtede til højere terræn, som taget, men de gik ikke højt nok. De blev skyllet væk senere og druknede. En nøjagtig advarsel vil fortælle dem præcis, hvor højt de skal gå.