Maavärinate ennustamine: seismilise aktiivsuse seire teaduse lahtiharutamine

Maavärinad on ühed kõige laastavamad loodusõnnetused, mis võivad põhjustada ulatuslikku hävingut ja inimohvreid. Võime ennustada, millal ja kus maavärin võib toimuda, on pikka aega olnud seismoloogide püha graal. Kuigi maavärina täpse aja ja magnituudi kindlaksmääramine jääb endiselt tabamatuks, pakuvad seismilise aktiivsuse seire olulised edusammud väärtuslikke teadmisi maavärinate protsessidest ja parandavad meie võimet hinnata riske ja anda õigeaegseid hoiatusi.

Maa dünaamiliste protsesside mõistmine

Maavärinad on peamiselt põhjustatud tektooniliste laamade liikumisest – massiivsetest kivimiplaatidest, mis moodustavad Maa väliskesta. Need laamad on pidevas vastastikmõjus, põrkudes kokku, libisedes üksteisest mööda või subdutseerudes (üks laam libiseb teise alla). Need vastastikmõjud tekitavad pingeid murrangujoontel, mis on praod Maa maakoores, kus liikumine toimub. Kui pinge ületab kivimite tugevuse, vabaneb see äkiliselt maavärina kujul.

Maavärina magnituud on vabanenud energia mõõt, mida tavaliselt mõõdetakse Richteri skaala või momentmagnituudi skaala abil. Maavärina asukoht määratakse selle epitsentri (punkt Maa pinnal otse kolde kohal) ja kolde (punkt Maa sees, kust maavärin alguse saab) järgi.

Seismilise aktiivsuse seire: võti maavärinate mõistmiseks

Seismilise aktiivsuse seire hõlmab pidevat maapinna liikumiste salvestamist ja analüüsimist seismomeetriteks nimetatavate instrumentide võrgu abil. Need instrumendid tuvastavad maavärinatest ja muudest seismilistest sündmustest, nagu vulkaanipursked ja plahvatused, põhjustatud vibratsioone.

Seismomeetrid: Maa kõrvad

Seismomeetrid on ülitundlikud instrumendid, mis suudavad tuvastada isegi kõige väiksemaid maapinna liikumisi. Tavaliselt koosnevad need raami sees rippuvast massist ja mehhanismist, mis mõõdab massi ja raami vahelist suhtelist liikumist. See liikumine muundatakse elektrisignaaliks, mis salvestatakse digitaalselt.

Kaasaegsed seismomeetrid on sageli lairibainstrumendid, mis tähendab, et nad suudavad tuvastada laia sagedusvahemikku. See võimaldab neil püüda kinni nii väikeste, kohalike maavärinatega seotud kõrgsageduslikke laineid kui ka suurte, kaugete maavärinatega seotud madalsageduslikke laineid.

Seismilised võrgud: ülemaailmne valve

Seismilised võrgud on seismomeetrite kogumid, mis on strateegiliselt paigutatud üle maailma. Neid võrke haldavad erinevad organisatsioonid, sealhulgas valitsusasutused, ülikoolid ja uurimisinstituudid. Nende võrkude kogutud andmeid jagatakse ülemaailmselt, võimaldades seismoloogidel uurida maavärinaid ja muid seismilisi nähtusi globaalsel tasandil.

Silmapaistvate ülemaailmsete seismiliste võrkude näited on järgmised:

• Ülemaailmne seismograafiline võrk (GSN): Rohkem kui 150 seismograafijaamast koosnev võrk, mis on jaotatud üle maailma ja mida haldab Incorporated Research Institutions for Seismology (IRIS).
• Riiklik maavärinate teabekeskus (NEIC): Ameerika Ühendriikide Geoloogiateenistuse (USGS) osa, mis vastutab maavärinate jälgimise ja nendest teatamise eest kogu maailmas.
• Euroopa-Vahemere seismoloogiakeskus (EMSC): Mittetulunduslik teadusühendus, mis kogub ja levitab teavet maavärinate kohta Euroopa-Vahemere piirkonnas.

Seismiliste andmete analüüsimine: maavärinate saladuste avamine

Seismiliste võrkude kogutud andmeid analüüsitakse keerukate arvutialgoritmide abil, et määrata kindlaks maavärinate asukoht, magnituud ja muud omadused. See analüüs hõlmab:

• Seismiliste lainete tuvastamine: Maavärinad tekitavad erinevat tüüpi seismilisi laineid, sealhulgas P-laineid (primaarlained) ja S-laineid (sekundaarlained). P-lained on pikilained, mis liiguvad kiiremini kui S-lained, mis on ristlained. Analüüsides nende lainete saabumisaegu erinevatesse seismomeetritesse, saavad seismoloogid määrata kauguse maavärinani.
• Epitsentri asukoha määramine: Maavärina epitsenter määratakse, leides iga seismomeetri ümber joonistatud ringide lõikepunkti, kus iga ringi raadius on võrdne kaugusega seismomeetrist maavärinani.
• Magnituudi määramine: Maavärina magnituud määratakse seismiliste lainete amplituudi mõõtmise ja maavärinast seismomeetrini ulatuva kauguse korrigeerimise teel.

Lisaks seismilistele lainetele: muude võimalike eelnähtude uurimine

Kuigi seismilise aktiivsuse seire on peamine vahend maavärinate uurimiseks, uurivad teadlased ka muid võimalikke eelnähtusid, mis võiksid anda vihjeid eelseisvate maavärinate kohta. Nende hulka kuuluvad:

Maapinna deformatsioon

Maa pind võib deformeeruda vastusena murrangujoontel kuhjuvale pingele. Seda deformatsiooni saab mõõta erinevate tehnikate abil, sealhulgas:

• GPS (Globaalne Positsioneerimissüsteem): GPS-vastuvõtjad suudavad mõõta punktide täpset asukohta Maa pinnal. Jälgides nende asukohtade muutusi ajas, saavad teadlased tuvastada maapinna deformatsiooni.
• InSAR (Interferomeetriline sünteetilise avaga radar): InSAR kasutab radaripilte, et mõõta ülitäpselt muutusi Maa pinnal. See tehnika on eriti kasulik peente deformatsioonide tuvastamiseks suurtel aladel.
• Kaldeandurid (tiltmeetrid): Kaldeandurid on ülitundlikud instrumendid, mis mõõdavad maapinna kalde muutusi.

Näiteks Jaapanis kasutatakse tihedaid GPS-võrke laialdaselt maakoore deformatsiooni jälgimiseks piirkondades, mis on teadaolevalt seismiliselt aktiivsed. Olulisi muutusi maapinna deformatsiooni mustrites uuritakse hoolikalt kui võimalikke suurenenud seismilise riski indikaatoreid.

Muutused põhjavee tasemes

Mõned uuringud on viidanud, et muutused põhjavee tasemes võivad olla seotud maavärinatega. Teooria kohaselt võivad pingemuutused Maa maakoores mõjutada kivimite läbilaskvust, põhjustades muutusi põhjavee voolus.

Põhjavee taseme jälgimine võib olla keeruline, kuna seda mõjutavad ka sellised tegurid nagu sademed ja pumpamine. Siiski kasutavad mõned teadlased keerukaid statistilisi tehnikaid, et eraldada maavärinatega seotud signaale taustamürast.

Elektromagnetilised signaalid

Teine uurimisvaldkond hõlmab elektromagnetiliste signaalide avastamist, mida pingestatud kivimid võivad tekitada enne maavärinat. Neid signaale võiks potentsiaalselt tuvastada maapealsete või satelliidipõhiste andurite abil.

Seos elektromagnetiliste signaalide ja maavärinate vahel on endiselt vaieldav ning vaja on rohkem uuringuid, et kinnitada, kas neid signaale saab usaldusväärselt kasutada maavärinate ennustamiseks. Mõned uuringud on siiski teatanud paljulubavatest tulemustest.

Eelvärinad

Eelvärinad on väiksemad maavärinad, mis mõnikord eelnevad suuremale maavärinale. Kuigi mitte kõigile suurtele maavärinatele ei eelne eelvärinaid, võib eelvärinate esinemine mõnikord suurendada suurema maavärina tõenäosust.

Eelvärinate reaalajas tuvastamine võib olla keeruline, kuna neid võib olla raske eristada tavalistest maavärinatest. Kuid masinõppe edusammud parandavad meie võimet tuvastada eelvärinaid ja hinnata nende potentsiaali suurema maavärina esilekutsumiseks.

Maavärinate eelhoiatussüsteemid: väärtuslike sekundite pakkumine

Kuigi maavärina täpse aja ja magnituudi ennustamine on endiselt väljakutse, võivad maavärinate eelhoiatussüsteemid (EEW) anda väärtuslikke sekundeid kuni kümneid sekundeid hoiatust enne tugeva rappumise saabumist. Need süsteemid toimivad, tuvastades kiiresti liikuvad P-lained ja andes hoiatuse enne aeglasemalt liikuvate S-lainete saabumist, mis põhjustavad kõige kahjustavamat rappumist.

Kuidas EEW-süsteemid töötavad

EEW-süsteemid koosnevad tavaliselt aktiivsete murrangujoonte lähedal asuvate seismomeetrite võrgust. Maavärina toimumisel tuvastavad epitsentrile kõige lähemal asuvad seismomeetrid P-lained ja saadavad signaali kesksesse töötlemiskeskusesse. Töötlemiskeskus analüüsib andmeid, et määrata maavärina asukoht ja magnituud ning annab hoiatuse piirkondadele, kus on tõenäoliselt oodata tugevat rappumist.

EEW-süsteemide eelised

EEW-süsteemid võivad anda väärtuslikku aega, et inimesed saaksid võtta kaitsemeetmeid, näiteks:

• Visku pikali, kata ja hoia kinni: Kõige olulisem tegevus maavärina ajal on viskuda pikali, katta oma pea ja kael ning hoida kinni millestki tugevast.
• Ohtlikest piirkondadest eemaldumine: Inimesed saavad eemalduda akendest, rasketest esemetest ja muudest ohtudest.
• Kriitilise tähtsusega taristu väljalülitamine: EEW-süsteeme saab kasutada gaasitorustike, elektrijaamade ja muu kriitilise tähtsusega taristu automaatseks väljalülitamiseks, et vältida kahjustusi ja vähendada teiseste ohtude riski.

EEW-süsteemide näited üle maailma

Mitmed riigid on rakendanud EEW-süsteeme, sealhulgas:

• Jaapan: Jaapani maavärinate eelhoiatussüsteem (EEW) on üks maailma kõige arenenumaid. See annab hoiatusi avalikkusele, ettevõtetele ja valitsusasutustele, võimaldades neil võtta kaitsemeetmeid.
• Mehhiko: Mehhiko seismilise hoiatussüsteem (SASMEX) annab hoiatusi Mexico Cityle ja teistele maavärinaohtlikele piirkondadele.
• Ameerika Ühendriigid: Ameerika Ühendriikide Geoloogiateenistus (USGS) arendab EEW-süsteemi nimega ShakeAlert, mida testitakse praegu Californias, Oregonis ja Washingtonis.

EEW-süsteemide tõhusus sõltub mitmest tegurist, sealhulgas seismomeetrite võrgu tihedusest, sidesüsteemi kiirusest ning avalikkuse teadlikkusest süsteemist ja sellest, kuidas hoiatustele reageerida.

Maavärinate ennustamise väljakutsed

Vaatamata edusammudele seismilise aktiivsuse seires ja maavärinate eelhoiatamises, on maavärina täpse aja ja magnituudi ennustamine endiselt märkimisväärne väljakutse. Sellel on mitu põhjust:

• Maavärinaprotsesside keerukus: Maavärinad on keerulised nähtused, mida mõjutavad mitmesugused tegurid, sealhulgas kivimite omadused, murrangujoonte geomeetria ja vedelike olemasolu.
• Piiratud andmed: Isegi ulatuslike seismiliste võrkude puhul on meie teadmised Maa sisemusest piiratud. See muudab maavärinateni viivate protsesside täieliku mõistmise raskeks.
• Usaldusväärsete eelnähtude puudumine: Kuigi teadlased on tuvastanud mitmeid potentsiaalseid maavärinate eelnähtusid, pole ükski neist osutunud järjepidevalt usaldusväärseks.

Teaduskogukond on üldiselt nõus, et lühiajaline maavärinate ennustamine (maavärina aja, asukoha ja magnituudi ennustamine mõne päeva või nädala jooksul) ei ole praegu võimalik. Kuid pikaajaline maavärinate prognoosimine (maavärina toimumise tõenäosuse hindamine antud piirkonnas pikema aja, näiteks aastate või aastakümnete jooksul) on võimalik ja seda kasutatakse ohu hindamiseks ja riskide maandamiseks.

Maavärinate prognoosimine: pikaajalise seismilise riski hindamine

Maavärinate prognoosimine hõlmab maavärina toimumise tõenäosuse hindamist antud piirkonnas pikema aja jooksul. Tavaliselt tehakse seda ajalooliste maavärinaandmete, geoloogilise teabe ja muude asjakohaste tegurite analüüsimise teel.

Seismilise ohu kaardid

Seismilise ohu kaardid näitavad oodatavat maapinna rappumise taset erinevates piirkondades maavärina ajal. Neid kaarte kasutavad insenerid maavärinakindlate hoonete projekteerimisel ja hädaolukordade lahendajad maavärinatele reageerimise kavandamisel.

Probabilistlik seismilise ohu hindamine (PSHA)

Probabilistlik seismilise ohu hindamine (PSHA) on meetod erineva tasemega maapinna rappumise tõenäosuse hindamiseks antud piirkonnas. PSHA võtab arvesse ebakindlust maavärina allika parameetrites, nagu maavärinate asukoht, magnituud ja sagedus.

PSHA-d kasutatakse seismilise ohu kaartide väljatöötamiseks ja hoonetele ning muule taristule tekkiva maavärinakahju riski hindamiseks.

Näide: California ühtne maavärinate murrangute prognoos (UCERF)

California ühtne maavärinate murrangute prognoos (UCERF) on pikaajaline maavärinate prognoos Californiale. UCERF ühendab andmeid erinevatest allikatest, sealhulgas ajaloolistest maavärinaandmetest, geoloogilisest teabest ja GPS-mõõtmistest, et hinnata maavärinate toimumise tõenäosust erinevatel murrangujoontel Californias.

UCERF-i kasutavad valitsusasutused, ettevõtted ja üksikisikud teadlike otsuste tegemiseks maavärinateks valmisoleku ja riskide maandamise kohta.

Maavärinariskide leevendamine: vastupanuvõime suurendamine

Kuigi me ei saa maavärinate toimumist ära hoida, saame astuda samme nende mõju leevendamiseks. Nende sammude hulka kuuluvad:

• Maavärinakindlate ehitiste ehitamine: Hooned saab projekteerida maavärinatele vastupidavaks, kasutades raudbetooni, terasraame ja muid tehnikaid. Maavärinaohtlike piirkondade ehitusnormid peaksid nõudma maavärinakindlat ehitust.
• Olemasolevate ehitiste moderniseerimine: Olemasolevaid hooneid, mis ei ole maavärinakindlad, saab moderniseerida, et parandada nende vastupidavust maavärinatele.
• Maavärinate eelhoiatussüsteemide arendamine: EEW-süsteemid võivad anda väärtuslikku aega, et inimesed saaksid võtta kaitsemeetmeid.
• Maavärinateks valmistumine: Üksikisikud, perekonnad ja kogukonnad peaksid maavärinateks valmistuma, töötades välja hädaolukorra plaane, koostades katastroofikomplekte ja harjutades maavärinaõppusi.
• Avalikkuse harimine: Avalikkuse harimine maavärinaohtude ja maavärinateks valmistumise kohta on vastupanuvõime suurendamiseks hädavajalik.

Tõhus maavärinariskide leevendamine nõuab valitsuste, ettevõtete ja üksikisikute koordineeritud pingutusi.

Maavärinate ennustamise uurimistöö tulevik

Maavärinate ennustamise uurimine on pidev protsess ning teadlased töötavad pidevalt selle nimel, et parandada meie arusaama maavärinatest ning meie võimet hinnata riske ja anda hoiatusi. Tulevane uurimistöö keskendub tõenäoliselt järgmisele:

• Seismiliste võrkude parandamine: Seismiliste võrkude laiendamine ja ajakohastamine annab rohkem andmeid ning parandab maavärinate asukohtade ja magnituudihinnangute täpsust.
• Uute tehnikate arendamine maavärinate eelnähtude tuvastamiseks: Teadlased uurivad uusi tehnikaid potentsiaalsete maavärinate eelnähtude tuvastamiseks, näiteks masinõpet ja tehisintellekti.
• Keerukamate maavärinamudelite arendamine: Maavärinateni viivate keerukate protsesside parem mõistmine nõuab keerukamate arvutimudelite arendamist.
• Maavärinate eelhoiatussüsteemide parandamine: EEW-süsteemide täiustamine annab rohkem hoiatamisaega ja vähendab maavärinate mõju.
• Erinevate andmeallikate integreerimine: Andmete kombineerimine seismilistest võrkudest, GPS-mõõtmistest ja muudest allikatest annab terviklikuma pildi maavärinaprotsessidest.

Kokkuvõte

Kuigi maavärinate täpne ennustamine jääb kaugeks eesmärgiks, parandavad edusammud seismilise aktiivsuse seires, maavärinate eelhoiatussüsteemides ja maavärinate prognoosimises oluliselt meie võimet hinnata seismilist riski ja leevendada nende laastavate loodusõnnetuste mõju. Jätkuv uurimistöö ja investeeringud nendesse valdkondadesse on üliolulised vastupanuvõimelisemate kogukondade loomiseks kogu maailmas.

Teekond maavärinate saladuste lahtiharutamiseks on pikk ja keeruline, kuid iga uue avastuse ja tehnoloogilise edusammuga liigume lähemale tulevikule, kus saame end nende võimsate loodusjõudude eest paremini kaitsta.