Маніторынг і прагназаванне цунамі з выкарыстаннем геафізікі
Цунамі з'яўляюцца аднымі з самых смяротных стыхійных бедстваў, таму што яны хутка ўзнікаюць, распаўсюджваюцца на вялікія адлегласці і часта з'яўляюцца пасля буйных землятрусаў, якія пашкоджваюць інфраструктуру. У многіх прыбярэжных раёнах, асабліва паблізу зон субдукцыі, час паміж крыніцай цунамі і ўздзеяннем хвалі можа складаць ад некалькіх хвілін да дзясяткаў хвілін. Таму хуткі маніторынг і дакладнае прагназаванне з'яўляюцца ключом да выратавання жыццяў. Геафізіка адыгрывае цэнтральную ролю ва ўсім гэтым працэсе: ад выяўлення землетрасення, якое выклікала цунамі, да вымярэння дэфармацыі марскога дна, маніторынгу змяненняў узроўню мора і запуску лікавых мадэляў для прагназавання вышыні хваль і часу іх прыбыцця. У гэтым артыкуле абмяркоўваецца, як геафізіка выкарыстоўваецца для маніторынгу і прагназавання цунамі, а таксама праблемы і напрамкі развіцця.
Цунамі і механізм яго ўзнікнення
Большасць буйных цунамі выклікаюцца тэктанічнымі землятрусамі на марскім дне, асабліва меганадзёргавымі землятрусамі ў зонах субдукцыі, якія выклікаюць раптоўнае ўзняцце або апусканне марскога дна. Гэта вертыкальнае змяненне зрушвае тоўшчу вады ў вялікіх маштабах, ствараючы доўгія хвалі высокай энергіі. Акрамя землятрусаў, цунамі могуць быць выкліканыя падводнымі апоўзнямі, абвальваннямі вулканаў, вывяржэннямі вулканаў, якія выцясняюць ваду, і (вельмі рэдка) падзеннем метэарытаў. З-за разнастайнасці механізмаў запуску сучасныя сістэмы маніторынгу цунамі абапіраюцца не на адзін датчык, а на сетку дадатковых прыбораў.
Роля сейсмалогіі: хуткае выяўленне трыгерных землятрусаў
Першым крокам у папярэджанні аб цунамі звычайна з'яўляецца выяўленне землятрусаў. Сетка наземных і марскіх сейсмометраў рэгіструе сейсмічныя хвалі і дазваляе хутка ацаніць месцазнаходжанне эпіцэнтра, глыбіню і магнітуду. Для мэт цунамі важнымі параметрамі з'яўляюцца не толькі агульная магнітуда (напрыклад, Mw), але і механізм крыніцы, і велічыня вертыкальнага зрушэння марскога дна. Землятрусы з вялікай магнітудай, але пераважна зрухавыя, як правіла, генеруюць меншыя цунамі, чым землятрусы, якія выклікаюць націск.
Акрамя таго, сучасная геафізіка выкарыстоўвае такія паняцці, як ацэнка магнітуды доўгага перыяду і працягласці разрыву, для ідэнтыфікацыі «цунамігенных» землятрусаў. Існуюць выпадкі «цунамі-землятрусаў», якія не адчуваюцца моцна на сушы, але выклікаюць вялікія цунамі, таму што выпраменьваная энергія пераважна доўгаперыядычная і адбываецца паблізу траншэі. Хуткі аналіз з выкарыстаннем доўгаперыядычных сейсмічных дадзеных можа дапамагчы знізіць рызыку памылковых разлікаў.
Аднак адной толькі сейсмалогіі недастаткова. Вялікія землятрусы не заўсёды выклікаюць разбуральныя цунамі, і наадварот, крыніцы, не звязаныя з землятрусамі, могуць выклікаць небяспечныя лакальныя цунамі. Таму неабходныя непасрэдныя вымярэнні дэфармацыі зямной кары і акіяна.
Геадэзія (GNSS) і дэфармацыя зямной кары: вымярэнне «наколькі» зрух
Назіранні GNSS/GPS даюць інфармацыю аб руху грунту ў рэжыме рэальнага часу. Падчас моцных землятрусаў прыбярэжныя станцыі GNSS могуць фіксаваць пастаянныя зрухі грунту да некалькіх метраў. Гэтыя дадзеныя неацэнныя для ацэнкі зрушэнняў на плоскасцях разломаў і пераўтварэння іх у дэфармацыю марскога дна, якая выклікае цунамі.
У некаторых сістэмах ранняга папярэджання GNSS у рэжыме рэальнага часу спалучаецца з сейсмічнымі дадзенымі для атрымання больш стабільных рашэнняў крыніцы землятрусаў, асабліва для вельмі моцных землятрусаў (Mw > 8), якія часта перагружаюць хуткія сейсмічныя метады. З дапамогай GNSS ацэнкі сейсмічнага моманту і заканамернасцей дэфармацыі можна атрымаць на працягу некалькіх хвілін, а затым выкарыстоўваць у якасці пачатковых дадзеных для мадэлявання цунамі.
Яшчэ адным дасягненнем з'яўляецца выкарыстанне InSAR (інтэрфераметрычнага сінтэтычнага апертурнага радара) са спадарожнікаў для дэталёвага картаграфавання дэфармацый пасля землетрасенняў. Хоць InSAR не заўсёды працуе ў рэжыме рэальнага часу, ён надзвычай карысны для хуткай ацэнкі пасля падзей, удасканалення мадэляў крыніц і паляпшэння якасці будучых карт небяспекі цунамі.
Акіянаграфічныя прыборы: прыліўныя датчыкі і датчыкі ціску на марскім дне
Пацверджанне наяўнасці цунамі патрабуе непасрэднага назірання за зменамі ўзроўню вады. Прыліўныя датчыкі ў партах і прыбярэжных раёнах фіксуюць анамаліі ўзроўню вады, якія могуць сведчыць аб хвалях цунамі. Іх перавага ў тым, што дадзеныя адносна лёгка атрымаць, а іх сетка шырокая. Недахоп у тым, што прыліўныя датчыкі размешчаны на ўзбярэжжы, дзе на хвалі могуць паўплываць форма заліва, збудаванні гавані або лакальны рэзананс. Акрамя таго, у выпадку цунамі паблізу крыніцы прыліўныя датчыкі могуць фіксаваць іх, калі хваля знаходзіцца амаль у глыбіні сушы.
Таму сучасныя сістэмы таксама выкарыстоўваюць датчыкі ціску на марскім дне ў глыбокіх водах, такія як канцэпцыя ацэнкі і справаздачнасці аб цунамі ў глыбакаводных умовах (DART). Гэтыя датчыкі вымяраюць змены ціску, выкліканыя праходжаннем хваль цунамі, і перадаюць іх праз буі на спадарожнікі. Вымярэнні ў глыбакаводных умовах маюць вырашальнае значэнне, таму што хвалі цунамі там маюць малую амплітуду (часта ўсяго ад некалькіх сантыметраў да дзясяткаў сантыметраў), але іх можна выявіць з дапамогай высокадакладных прыбораў. Гэтыя дадзеныя дапамагаюць пацвердзіць, ці сапраўды землятрус выклікаў значнае цунамі, і паляпшаюць прагнозы вышыні хваль на ўзбярэжжы.
Лікавае мадэляванне: ад зыходных дадзеных да прагназавання часу прыбыцця і вышыні хваль
Прадказанне цунамі — гэта фундаментальная праблема фізікі хваль: як хвалі паверхні мора распаўсюджваюцца па акіяне і ўзаемадзейнічаюць з тапаграфіяй дна (батыметрыяй) і контурамі берагавой лініі. Лікавыя мадэлі выкарыстоўваюць ураўненні мелкаводдзя або іх варыяцыі для разліку распаўсюджвання хваль, праламлення, дыфракцыі і абмелення пры іх уваходзе ў мелкаводдзе.
У сістэмах ранняга папярэджання мадэляванне праводзіцца з выкарыстаннем двух агульных падыходаў:
1. Папярэдне вылічаныя сцэнарыі (база дадзеных): для розных магчымых крыніц землятрусаў папярэдне вылічваюцца ад тысяч да мільёнаў сцэнарыяў цунамі. Калі адбываецца землятрус, сістэма выбірае найбольш блізкі сцэнар на аснове пачатковых параметраў і адразу ж выдае разліковы час прыбыцця і вышыню хвалі.
2. Інверсія і асіміляцыя дадзеных у рэжыме рэальнага часу: для больш дакладнай ацэнкі крыніцы выкарыстоўваюцца сейсмічныя дадзеныя, дадзеныя ГНСС і датчыкі ціску акіяна, а затым мадэляванне запускаецца або дынамічна карэктуецца. Гэты падыход можа палепшыць дакладнасць, асабліва для складаных падзей, але патрабуе шмат вылічальных выдаткаў. інтэграцыя дадзеных моцны.
Якасць прагнозу моцна залежыць ад батыметрыі і тапаграфіі з высокім разрозненнем, бо форма марскога дна і прыбярэжнага схілу істотна вызначае, дзе хвалі будуць факусавацца або слабець. Вузкія залівы могуць узмацняць цунамі праз рэзананс, а рыфы або шырокія прыбярэжныя раўніны могуць змяняць характар пад'ёму хваль.
Асноўныя праблемы: час, нявызначанасць і нетэктанічныя крыніцы
Існуюць тры асноўныя праблемы ў маніторынгу і прагназаванні цунамі.
Па-першае, цунамі мае вельмі абмежаваны час дзеяння паблізу свайго крыніцы. На некаторых узбярэжжах паблізу зон субдукцыі першая хваля можа прыбыць на працягу 5–20 хвілін. Ланцужок выяўлення-аналізу-распаўсюджвання папярэджання павінен быць надзвычай хуткім, і насельніцтва павінна разумець, як рэагаваць самастойна: калі адчуваецца моцны і працяглы землятрус, неадкладна эвакуіруйцеся, не чакаючы сірэн.
Па-другое, нявызначанасць крыніцы. Землятрусы могуць мець разрывы працягласцю на сотні кіламетраў з нераўнамерным зрушэннем. Невялікія памылкі ў ацэнках глыбіні або механізму могуць аказаць істотны ўплыў на прагнозы вышыні цунамі. Акрамя таго, падводныя апоўзні могуць лакальна ўзмацняць цунамі, але іх цяжэй хутка выявіць. Геафізіка імкнецца аб'яднаць некалькі тыпаў дадзеных, каб паменшыць гэтую нявызначанасць.
Па-трэцяе, абмежаванасці сэнсарных сетак. Датчыкі марскога дна дарагія ў ўсталёўцы і патрабуюць абслугоўвання. У многіх раёнах, схільных да цунамі, адсутнічае ідэальная шчыльнасць прыбораў. Менавіта тут рэгіянальнае і міжнароднае супрацоўніцтва, у тым ліку трансгранічны абмен дадзенымі і стандарты папярэджання аб наяўнасці інфармацыі, набывае вырашальнае значэнне.
Інавацыі і будучыня: штучны інтэлект, аптычныя кабелі і абвесткі на базе супольнасці
Будучыя распрацоўкі ўключаюць усё больш хуткую і інтэлектуальную інтэграцыю дадзеных. Метады машыннага навучання пачынаюць выкарыстоўвацца для хуткай класіфікацыі цунамігенных землятрусаў, вызначэння параметраў крыніцы са складаных сігналаў і карэкцыі зрушэння мадэляў на аснове гістарычных дадзеных. Аднак штучны інтэлект усё яшчэ павінен спалучацца з разуменнем фізікі і строгай праверкай, бо наступствы памылковых прагнозаў значныя.
Яшчэ адным цікавым новаўвядзеннем з'яўляецца выкарыстанне падводных аптычных кабеляў у якасці сейсмічных і дэфармацыйных датчыкаў з дапамогай такіх метадаў, як размеркаванае акустычнае зандзіраванне (DAS). Выкарыстоўваючы ўжо разгалінаваную тэлекамунікацыйную інфраструктуру, маніторынг можа быць больш поўным і ў рэжыме рэальнага часу, асабліва ў раёнах, дзе звычайныя прыборы цяжка ўсталяваць.
Але тэхналогіі — не адзінае рашэнне. Найбольш эфектыўныя сістэмы — гэта тыя, якія аб'ядноўваюць навуку, палітыку і падрыхтоўку насельніцтва. Карты эвакуацыі, рэгулярныя вучэнні, знакі шляхоў эвакуацыі і адукацыя па прыродных знаках папярэджання аб цунамі (моцныя землятрусы, раптоўныя адступаючыя хвалі, грукат) застаюцца неад'емнымі часткамі.
Закрыццё
Маніторынг і прагназаванне цунамі з выкарыстаннем геафізікі — гэта міждысцыплінарны праект, які спалучае сейсмалогію, геадэзію, акіянаграфію і лікавае мадэляванне. Сейсмометры выяўляюць трыгерныя землятрусы, ГНСС вымяраюць дэфармацыю зямной кары, прыліўныя датчыкі і датчыкі ціску на дне мора пацвярджаюць хвалі, а лікавыя мадэлі прадказваюць час прыбыцця і патэнцыйныя ўздзеянні на ўзбярэжжа. Найбольшымі праблемамі з'яўляюцца хуткасць, нявызначанасць крыніцы і абмежаванні сэнсарных сетак, асабліва для цунамі паблізу нетэктанічных крыніц і трыгераў. З развіццём прыбораў, вылічэнняў і інтэграцыі дадзеных магчымасці ранняга папярэджання працягваюць паляпшацца. У канчатковым выніку, галоўная мэта ўсіх гэтых геафізічных тэхналогій адна: выйграць каштоўны час для эвакуацыі і скараціць страты жыццяў ва ўразлівых прыбярэжных раёнах.
