Un venerdì pomeriggio della primavera del 2011, il terremoto di Tōhoku-Oki ha scosso il Giappone nord-orientale per sei minuti e ha spostato l'isola principale del paese di 8 piedi. Minuti più tardi, i residenti hanno iniziato a ricevere avvisi di tsunami attraverso i media radiotelevisivi, cellulari e sirene.

Ma gli allarmi iniziali hanno sottovalutato le dimensioni delle onde e molte persone non sono riuscite a evacuare fino a raggiungere il suolo abbastanza in alto da sfuggire alle onde che si sono abbattute su parti della costa, alcune ad un'altezza di 120 piedi.

Come è emerso dalla catastrofe, Il Giappone ha installato una rete di sensori sismici e di pressione sul fondo dell'oceano che ha alzato l'asticella dei sistemi di allerta precoce per gli tsunami in tutto il mondo. Ora, nuova ricerca degli scienziati della School of Earth, Energy &Environmental Sciences (Stanford Earth) suggerisce come gli avvisi basati sullo streaming di dati in tempo reale da sensori come quelli in Giappone potrebbero essere resi più accurati combinandoli con simulazioni di tsunami.

Pubblicato nella peer-review Lettere di ricerca geofisica , lo studio descrive un nuovo metodo progettato specificamente per gli allarmi precoci di tsunami locali. "Ciò significa avvertire i residenti costieri che un'onda di tsunami generata a 50 o 100 miglia al largo arriverà nei prossimi 20-30 minuti, ", ha affermato l'autore senior Eric Dunham, professore associato di geofisica alla Stanford Earth.

Qui, Dunham e l'autore principale Yuyun Yang, uno studente di dottorato presso lo Stanford's Institute for Computational &Mathematical Engineering, discutere il loro metodo e come in futuro potrebbe essere applicato anche in luoghi privi di sensori offshore dedicati, che sono attualmente distribuiti solo in Giappone.

Come funzionano oggi i sistemi di allerta tsunami?

Eric Dunham:Gli attuali sistemi di allarme tsunami iniziano con una stima delle proprietà dei terremoti dalle onde sismiche, quindi utilizzare le relazioni pre-calcolate tra i terremoti e gli tsunami che generano.

La maggior parte degli tsunami è causata da un terremoto in mare aperto che spinge l'oceano verso l'alto o verso il basso. Mentre la gravità riporta l'acqua verso l'equilibrio, nasce uno tsunami. Ma gli tsunami possono essere generati anche in altri modi. Frane subacquee, che potrebbe accompagnare un terremoto o verificarsi indipendentemente, sono un classico esempio. I sistemi di allerta tradizionali ignorano completamente gli tsunami da quel tipo di fonti.

In che modo è diverso il tuo metodo?

Yuyun Yang:Mentre un'onda di tsunami si muove attraverso l'oceano, cambia la pressione in tutta la colonna d'acqua. Il nostro metodo ricostruisce la superficie dell'oceano e stima l'altezza delle onde in base alla pressione rilevata dai sensori offshore al passaggio dello tsunami.

Dunham:Yuyun ha capito come applicare una tecnica di assimilazione dei dati, noto come filtro di Kalman d'insieme, per ricostruire rapidamente il campo d'onda dello tsunami in qualche momento, quindi utilizzare le simulazioni di propagazione delle onde dello tsunami per prevedere come si sviluppano le onde mentre si spostano verso terra, fornendo infine previsioni dell'altezza delle onde e dell'ora di arrivo alla costa.

Yang:Le nostre previsioni iniziano a stabilizzarsi entro pochi minuti. Questo lascia dai 10 ai 20 minuti alle agenzie governative per emettere avvisi e ai residenti per evacuare.

Dunham:un metodo di assimilazione dei dati simile proposto per l'uso nel sistema di allerta giapponese, chiamata interpolazione ottimale, offre previsioni simili, ma con meno precisione e coerenza in alcuni casi. Le previsioni con quel metodo possono variare a seconda di quando viene effettuata la previsione. Una previsione dirà, "L'onda sarà alta 10 piedi." Due minuti dopo:"L'onda è alta 3 piedi". Il nostro approccio riduce queste fluttuazioni, in particolare quando i sensori offshore sono molto distanti.

I metodi di assimilazione dei dati sono più costosi dal punto di vista computazionale rispetto ai metodi tradizionali basati su onde sismiche, ma forniscono previsioni che diventano sempre più accurate con l'assimilazione continua dei dati.

I metodi tradizionali basati sulla sismica potrebbero essere utilizzati per emettere i primi avvisi, e quindi un metodo come il nostro potrebbe essere utilizzato per aggiornare quelle previsioni. Gli approcci sono complementari.

La tecnica di assimilazione dei dati che hai applicato non è nuova. Perché questo approccio non è stato applicato prima ai sistemi di allerta tsunami?

Dunham:Questa nuova tecnologia - sensori offshore collegati tramite cavo in fibra ottica alla terraferma - consente ai dati di essere trasmessi in tempo quasi reale ai computer dove possono essere elaborati e utilizzati nei sistemi di allarme.

Queste reti di sensori sono estremamente costose da implementare e mantenere, e scienziati e ingegneri sono alle prese con complicazioni con i dati. maree, correnti, i cambiamenti di temperatura e salinità possono far sì che questi strumenti ti dicano che c'è un cambiamento nella pressione o nell'altezza delle onde quando non c'è. Ma finché si dispone di una stima dell'incertezza nei dati, quindi il metodo può dirti come utilizzare al meglio quei dati.

Hai testato il tuo metodo su una simulazione di uno tsunami che probabilmente si svolgerebbe al largo della costa di Washington, Oregon e Columbia Britannica. È probabile che un sistema che si dimostri efficace sia altrettanto efficace in California, Indonesia, Giappone o altrove?

Yang:La fisica è la stessa ovunque, ma la maggior parte delle regioni non ha gli array cablati installati che renderebbero possibile implementare questo metodo.

Dunham:In questo momento, Il Giappone è l'unico Paese che ha deciso di investire in questa tecnologia a scopo di preallarme, probabilmente perché hanno terremoti e tsunami così frequentemente e perché l'evento del 2011 è stato così catastrofico.

Ci sono soluzioni meno costose all'orizzonte?

Dunham:Esiste un'interessante possibilità di utilizzare cavi in ​​fibra ottica esistenti che coprono molti fondali oceanici. La maggior parte di questi cavi in ​​fibra ottica non ha sensori di pressione di fondo, ma potrebbero esserci modi per misurare l'allungamento indotto dalle onde di questi cavi per ottenere potenzialmente una stima della pressione e dell'altezza delle onde.

Yang:Un'altra possibilità è usare le stazioni GPS sulle navi commerciali, che misurano l'altezza dell'acqua in un dato luogo in mare. Il nostro approccio potrebbe essere applicato ai dati provenienti da una di queste fonti.

Perché non usare il terremoto stesso come un avvertimento?

Dunham:Questo è l'approccio consigliato nei paesi senza strumentazione avanzata:se senti tremori forti e duraturi, raggiungere un'altura. Ma se puoi fornire previsioni più quantitative, molte persone e agenzie saranno in grado di utilizzare tali informazioni. Se stai gestendo una centrale nucleare con una diga di una certa altezza, potrebbe essere importante se l'onda sarà alta 10 piedi o alta 12 piedi.

Yang:Durante il terremoto di Tōhoku, molte persone sono fuggite su un terreno più elevato, come il tetto, ma non sono andati abbastanza in alto. Più tardi sono stati lavati via e sono annegati. Un avvertimento accurato dirà loro esattamente quanto in alto devono andare.