science >> Wetenschap >  >> Natuur

Een nieuwe manier om aardbevingen waar te nemen, kan systemen voor vroegtijdige waarschuwing helpen verbeteren

Een kaart van Japan met locaties voor het epicentrum van de Tohoku-aardbeving in 2011 (✩), Kamioka (K), Matsushiro (M) en gebruikte seismische meetinstrumenten (△ en ●). Krediet:©2019 Kimura Masaya

Elk jaar, aardbevingen wereldwijd eisen honderden of zelfs duizenden levens. Een waarschuwing vooraf stelt mensen in staat om naar veiligheid te gaan en een kwestie van seconden kan het verschil betekenen tussen leven en dood. UTokyo-onderzoekers hebben een nieuwe methode voor het detecteren van aardbevingen gedemonstreerd:hun techniek maakt gebruik van subtiele veelbetekenende zwaartekrachtsignalen die voor de trillingen uitlopen. Toekomstig onderzoek zou systemen voor vroegtijdige waarschuwing kunnen stimuleren.

De schok van de aardbeving in Tohoku in 2011 in het oosten van Japan resoneert nog steeds voor velen. Het veroorzaakte een onvoorstelbare verwoesting, maar genereerde ook enorme hoeveelheden seismische en andere soorten gegevens. Jaren later, onderzoekers ontginnen deze gegevens nog steeds om modellen te verbeteren en nieuwe manieren te vinden om ze te gebruiken, die mensen in de toekomst kunnen helpen. Een team van onderzoekers van het Earthquake Research Institute (ERI) van de Universiteit van Tokyo heeft in deze gegevens iets gevonden dat het onderzoek naar aardbevingen vooruit kan helpen en op een dag zelfs levens kan redden.

Het begon allemaal toen ERI Associate Professor Shingo Watada een interessant natuurkundig artikel las over een niet-gerelateerd onderwerp door J. Harms van Istituto Nazionale di Fisica Nucleare in Italië. Het artikel suggereert dat gravimeters - sensoren die de sterkte van de lokale zwaartekracht meten - theoretisch aardbevingen zouden kunnen detecteren.

"Dit zette me aan het denken, " zei Watada. "Als we genoeg seismische en zwaartekrachtgegevens hebben van de tijd en plaats van een grote aardbeving, we zouden kunnen leren aardbevingen te detecteren met zowel gravimeters als seismometers. Dit zou een belangrijk hulpmiddel kunnen zijn voor toekomstig onderzoek naar seismische verschijnselen."

Contourkaarten tonen veranderingen in de zwaartekrachtgradiënt onmiddellijk voordat de aardbeving toesloeg. Het epicentrum van de aardbeving in Tohoku in 2011 wordt gemarkeerd door (✩) Credit:©2019 Kimura Masaya

Het idee werkt als volgt:Aardbevingen treden op wanneer een punt langs de rand van een tektonische plaat die het aardoppervlak omvat, een plotselinge beweging maakt. Dit genereert seismische golven die vanaf dat punt met zes tot acht kilometer per seconde uitstralen. Deze golven brengen energie door de aarde en veranderen snel de dichtheid van het ondergrondse materiaal waar ze doorheen gaan. Dicht materiaal zorgt voor een iets grotere aantrekkingskracht dan materiaal met een lagere dichtheid. Omdat de zwaartekracht zich voortplant met de lichtsnelheid, gevoelige gravimeters kunnen deze veranderingen in dichtheid opvangen voordat de seismische golven arriveren.

"Dit is de eerste keer dat iemand definitieve aardbevingssignalen heeft getoond met een dergelijke methode. Anderen hebben het idee onderzocht, nog geen betrouwbare signalen gevonden, ", zegt ERI-postdoctoraal Masaya Kimura. "Onze aanpak is uniek, omdat we een breder scala aan sensoren hebben onderzocht die tijdens de aardbeving van 2011 actief waren. En we gebruikten speciale verwerkingsmethoden om stille zwaartekrachtsignalen te isoleren van de ruisvolle gegevens."

Japan is zeer seismisch actief, het is dus geen verrassing dat er in de regio uitgebreide netwerken van seismische instrumenten zijn op land en op zee. De onderzoekers gebruikten een reeks seismische gegevens van deze, evenals supergeleidende gravimeters (SG's) in Kamioka, Prefectuur Gifu, en Matsushiro, Prefectuur Nagano, in centraal Japan.

Een TOBA met open deur om het cryogeen gekoelde sensorplatform binnenin te onthullen. Krediet:©2019 Ando Masaki

De signaalanalyse die ze uitvoerden was uiterst betrouwbaar en scoorde wat wetenschappers een nauwkeurigheid van 7 sigma noemen, wat betekent dat er slechts een kans van één op een biljoen is dat een resultaat onjuist is. De onderzoekers zeggen dat dit het concept bewijst en nuttig zal zijn bij de kalibratie van toekomstige instrumenten die speciaal zijn gebouwd om aardbevingen te detecteren. Universitair hoofddocent Masaki Ando van het departement Natuurkunde vond een nieuw soort gravimeter uit, de torsiestaafantenne (TOBA), die ernaar streeft het eerste dergelijke instrument te zijn.

"SG's en seismometers zijn niet ideaal, terwijl de sensoren erin samen met het instrument bewegen, die bijna subtiele signalen van aardbevingen annuleert, "Verklaarde ERI Associate Professor Nobuki Kame. "Dit staat bekend als een Einstein's lift, of het equivalentiebeginsel. Echter, de TOBA zal dit probleem oplossen. Het detecteert veranderingen in de zwaartekrachtgradiënt ondanks beweging. Het werd oorspronkelijk ontworpen om zwaartekrachtsgolven van de oerknal te detecteren, zoals 'aardbevingen' in de ruimte, maar ons doel is meer nuchter."

Het team droomt van een netwerk van TOBA verspreid over seismisch actieve regio's, een systeem voor vroegtijdige waarschuwing dat mensen zou kunnen waarschuwen 10 seconden voordat de eerste grondschuddende golven arriveren vanuit een epicentrum op 100 kilometer afstand. Veel sterfgevallen door aardbevingen vallen als mensen overrompeld worden in gebouwen die op hen instorten. Stel je voor hoeveel verschil 10 seconden kunnen maken. Dit zal tijd kosten, maar de onderzoekers verfijnen voortdurend modellen om de nauwkeurigheid van de methode voor eventueel gebruik in het veld te verbeteren.