Seismisk overvågning kan forbedre tidlige advarsler om oversvømmelser ved gletsjersø

Vibrationer i jorden kan hjælpe med at forbedre avancerede advarsler om pludselige oversvømmelser, der skyldes issmeltning, ifølge en undersøgelse offentliggjort i dag i Videnskab fremskridt .

Den 7. oktober, 1994, en naturlig dæmning, der havde holdt en gletsjersø tilbage, sender oversvømmelser, der styrter nedstrøms ind i den bhutanske landsby Punakha. Den pludselige oversvømmelse dræbte 21 mennesker, ødelagde 816 hektar afgrøder og 6 tons opbevaret mad, og skyllede hjem og anden infrastruktur væk. Den nye undersøgelse, ledet af forskere ved Columbia Universitys Lamont-Doherty Earth Observatory, opdagede, at lokale seismiske anordninger ubevidst registrerede denne udbrud af glacial sø fem timer før den nåede landsbyen.

Oversvømmelser ved isudbrud bliver mere hyppige og mere ødelæggende i bjergrige områder. Når gletsjere smelter, vandet samler sig i søer, der er fanget bag dæmninger, der er lavet af stenrige isrester og isstop. Når dæmningen skifter eller for meget tryk bygger sig bag den, søvandet siver ud i et katastrofalt udbrud, udgør en fare for nedstrøms samfund. Når planeten bliver varm, gletsjersøer bliver større og mere almindelige, dermed øges potentialet for glacial lake udbrud oversvømmelser (GLOF'er).

I undersøgelsen, ledet af Lamont-Doherty-kandidatstuderende Josh Maurer, forskere opdagede, at et seismometer-array placeret omkring 100 kilometer fra gletsjersøen havde registreret et klart højfrekvent signal klokken cirka 1:45, omkring det tidspunkt, hvor dæmningen ville være sprængt. De antager, at da dæmningen sprængte, den kraftige og pludselige udstrømning af vand og/eller sedimenter ramte flodlejet, forårsager de vibrationer, der blev optaget af seismometre. Holdet var i stand til at bruge de seismiske data til at rekonstruere oversvømmelsen, da den tog sin vej 90 kilometer nedstrøms, når landsbyen Punakha omkring kl.

I øjeblikket, instrumenter overvåger det lokale vandstand i nogle glaciale søer og advarer lokalsamfund, hvis søniveauet pludselig falder, angiver en GLOF. Imidlertid, sådanne systemer er kendt for at være noget upålidelige og har tidligere udsendt falske alarmer. Studieforfatterne foreslår, at med en vis forfining, real-time seismisk overvågning kan kombineres med overvågningssystemer for vandstand for at minimere falske alarmer og maksimere advarselstider. Ud over, et par strategisk placerede seismiske sensorer kan potentielt overvåge GLOF'er over et stort område, der henviser til, at vandstandsmåler skal installeres sø ved sø.

Forfatterne bemærker, at der er behov for mere forskning, før seismiske GLOF -skærme ville være klar til implementering. Teamet håber at finde og udforske andre tilfælde, hvor seismometre har fanget GLOF -begivenheder, for bedre at forstå, hvordan man læser og analyserer signalerne i realtid. De advarer også om, at Punakha -oversvømmelsen var meget stor, så signalet stod tydeligt frem i dataene; i fremtiden, de håber bedre at forstå, om teknikken pålideligt kan opdage mindre udbrud af gletsjersøer, som stadig kan forårsage alvorlig skade.

Ved at rekonstruere Punakha -oversvømmelsen, forskerne var også i stand til at teste forskellige modeller af, hvordan oversvømmelsesvand forventes at strømme gennem området, viser, at seismiske data kan bidrage til at forbedre modellering af oversvømmelser. Ud over, papiret brugte satellitbilleder før og efter GLOF til at vurdere dens indvirkning på området.

Eksperter, der ikke var involveret i undersøgelsen, herunder geografen Simon Allen og glaciologen Holger Frey (begge fra universitetet i Zürich), sagde undersøgelsen repræsenterer et lovende første skridt mod et seismologi-baseret system til tidlig varsling. Allen sagde, at der er brug for mere forskning, da teknikken kun er blevet testet på en sø indtil videre, og advarede om, at opretholdelse af et seismisk overvågningsnetværk i realtid i Himalaya eller andre steder ville give økonomiske og tekniske udfordringer.

"Algoritmerne skal være ekstremt pålidelige, "sagde Frey." Alle hændelser skal registreres, men samtidig skal falske alarmer undgås på alle måder. "Han understregede også, at det er afgørende at inddrage mennesker fra de berørte samfund i design og implementering af sådanne systemer for at afgøre, om de i sidste ende lykkes.

"Denne undersøgelse er en stor demonstration af potentialet for langtrækkende seismisk påvisning af store udbrudsoversvømmelser, "sagde Kristen Cook, en geolog ved GFZ German Research Center for Geosciences, der ikke var involveret i undersøgelsen. "Denne seismiske opdagelse kan have vigtige konsekvenser både når vi kigger tilbage i tiden for at validere oversvømmelsesmodeller og bedre forstå processerne ved udbrud af oversvømmelser, og potentielt fremad i tiden, hvis der kan udvikles et seismisk system til tidlig varsling. Udbrud af oversvømmelser er en stor bekymring i Himalaya, især som udviklingen langs flodkorridorer stiger og søer vokser, så både mere robust tidlig advarsel og bedre modellering ville have betydelige samfundsmæssige fordele. "

Andre forfattere af undersøgelsen omfatter:Joerg Schaefer, Joshua Russell, og Nicolas Young fra Columbia University; Sommer Burton Rupper fra University of Utah; Norbu Wangdi fra Center for Vand, Klima, og miljøpolitik i Bhutan; og Aaron Putnam fra University of Maine.

Lær mere om undersøgelsen i en kort Q&A med studieforfatter Joerg Schaefer, under.

Hvordan udviklede ideen til denne undersøgelse sig først?

Det hele startede, da vi arbejdede på de velbevarede og næsten komplette morænesekvenser foran GLOF-søerne. De var på vejen til 1994 GLOF, og beryllium -dating viser, at de er gamle, ligesom 4, 000 år gammel. Jeg undrede mig over, hvordan sådan en ødelæggende GLOF kunne passere disse gamle glaciale landformer uden at ødelægge dem, vaske dem ud. Jeg bad kandidatstuderende Josh Maurer om at kontrollere spion -satellitbillederne og de efterfølgende fjernfølelsesbilleder for billeder af søer og moræner lige før og lige efter oversvømmelsen. Det gjorde han, og vi dokumenterede udbruddet og den tidlige fase af GLOF 1994. Vi lærte, at oversvømmelsen bare ikke var superdramatisk lige i starten, og tog kun en lille del af den terminale moræneafsnit ud. Dette er en slående og skræmmende påmindelse om, at GLOF'er, der starter i disse store højder, opfanger deres ødelæggende energi ved hjælp af tyngdekraften på vej ned ad bakke.

Josh indså potentialet, og vi begyndte at spekulere på, om GLOF -signalet ikke skulle være synligt i seismometerregistreringen. Josh kom i kontakt med Josh Russell, en ph.d. studerende i seismologi ved Lamont, og sammen gik de på arbejde og anvendte en teknik kaldet 'krydskorrelationsbaserede seismiske analyser, 'som de kunne spore udviklingen af ​​GLOF med seismometre så langt som 100 km væk fra den egentlige oversvømmelse. De fandt oversvømmelsessignalet i fantastisk klarhed og syntetiserede de seismiske data med øjenvidnerapporter og en nedstrøms målerstation inden for en numerisk oversvømmelsesmodel.

Vi brugte også fjernbetjeningen før og efter oversvømmelsen til at estimere sedimentaflejringen i dalen nedstrøms for at vurdere skaden, og spores vegetationsgenopretningens hastighed.

Dette er nok det mest innovative jordvidenskabelige papir, jeg har haft fornøjelsen at være en del af. Min vigtigste rolle i det har været at støtte arbejdet i disse strålende gradstuderende.

Stødte du på nogen forhindringer i udviklingen af ​​dette projekt? Hvis så, hvad var de? Hvordan overvandt du dem?

Josh og Josh stødte på en række problemer under deres krydskorrelationsanalyser, men de arbejdede glimrende og effektivt som et team. Når alle resultaterne var på bordet, det tog os et stykke tid at organisere stykkerne fra mange forskellige discipliner til at danne et sammenhængende jordvidenskabeligt manuskript, og at realisere og formulere potentialet i denne teknik for en ny generation af GLOF -varslingssystemer.

Hvordan tror du, at andre gletsjersøer kunne prioriteres til fremtidig forskning i den retning?

En af de største styrker ved denne tilgang er den regionale anvendelighed. Vi kan bruge denne værktøjskasse, for eksempel, at spørge seismometerregistreringen, om der er lignende 'GLOF-type signaler' i systemet eller ej. Og, ved hjælp af Joshs satellitbilledbehandlingsteknikker, vi kan søge i regionen efter kilden til lignende oversvømmelser, der kan have fundet sted i området i løbet af de sidste 40 år.

At kunne spore dannelsen, vækst og især stigning i søniveauet over tid er nøglen til at evaluere og identificere de farligste søer i regionen. Topografi og sedimenttilgængelighed er sandsynligvis ens på tværs af forskellige GLOF-tilbøjelige dale i regionen, men vi bør absolut lave et kort, der fremhæver menneskelige bosættelser og områder, der er nøglen til deres levebrød i forhold til GLOF -faren højere oppe i Himalaya.