Bliksem - een, twee, drie - en donder. Eeuwenlang, mensen hebben de afstand van een onweersbui geschat vanaf de tijd tussen bliksem en donder. Hoe groter het tijdsverschil tussen de twee signalen, hoe verder de waarnemer zich van de locatie van de bliksem bevindt. Dit komt omdat bliksem zich met de snelheid van het licht voortplant met bijna geen vertraging, terwijl donder zich voortplant met de veel lagere geluidssnelheid van ongeveer 340 meter per seconde.

Aardbevingen zenden ook signalen uit die zich voortplanten met de snelheid van het licht (300, 000 kilometer per seconde) en kan lang voor de relatief langzame seismische golven (ongeveer 8 kilometer per seconde) worden geregistreerd. Echter, de signalen die met de snelheid van het licht reizen zijn geen bliksemschichten, maar plotselinge veranderingen in zwaartekracht veroorzaakt door een verschuiving in de interne massa van de aarde. Alleen recentelijk, deze zogenaamde PEGS-signalen (PEGS =prompt elasto-gravity signalen) werden gedetecteerd door seismische metingen. Met behulp van deze signalen het zou mogelijk zijn om een ​​aardbeving heel vroeg voor de komst van de verwoestende aardbeving of tsunami-golven te detecteren.

Echter, het zwaartekrachteffect van dit fenomeen is erg klein. Het komt neer op minder dan een miljardste van de zwaartekracht op aarde. Daarom, PEGS-signalen konden alleen worden opgenomen voor de sterkste aardbevingen. In aanvulling, het proces van hun generatie is complex:ze worden niet alleen direct bij de bron van de aardbeving gegenereerd, maar ook continu terwijl de aardbevingsgolven zich door het binnenste van de aarde voortplanten.

Tot nu, er is geen directe en exacte methode om op betrouwbare wijze het genereren van PEGS-signalen in de computer te simuleren. Het algoritme dat nu door de GFZ-onderzoekers rond Rongjiang Wang is voorgesteld, kan voor het eerst PEGS-signalen met hoge nauwkeurigheid en zonder veel moeite berekenen. De onderzoekers konden ook aantonen dat de signalen het mogelijk maken om conclusies te trekken over de sterkte, duur en mechanisme van zeer grote aardbevingen. De studie werd gepubliceerd in het tijdschrift Aardse en planetaire wetenschapsbrieven .

Een aardbeving verschuift de rotsplaten in het binnenste van de aarde abrupt, en verandert zo de massaverdeling in de aarde. Bij sterke aardbevingen, deze verplaatsing kan enkele meters bedragen. “Omdat de zwaartekracht die lokaal gemeten kan worden afhangt van de massaverdeling in de buurt van het meetpunt, elke aardbeving genereert een kleine maar onmiddellijke verandering in zwaartekracht, " zegt Rongjiang Wang, wetenschappelijk coördinator van de nieuwe studie.

Echter, elke aardbeving genereert ook golven in de aarde zelf, die op hun beurt de dichtheid van de rotsen en dus de zwaartekracht een klein beetje voor een korte tijd veranderen - de zwaartekracht van de aarde oscilleert tot op zekere hoogte synchroon met de aardbeving. Verder, deze oscillerende zwaartekracht produceert een kortdurend krachteffect op de rots, die op zijn beurt secundaire seismische golven veroorzaakt. Sommige van deze door de zwaartekracht veroorzaakte secundaire seismische golven kunnen zelfs vóór de komst van de primaire seismische golven worden waargenomen.

"We stonden voor het probleem van het integreren van deze meerdere interacties om nauwkeurigere schattingen en voorspellingen te doen over de sterkte van de signalen, " zegt Torsten Dahm, hoofd van de sectie Fysica van Aardbevingen en Vulkanen bij GFZ. "Rongjiang Wang had het ingenieuze idee om een ​​algoritme dat we eerder hadden ontwikkeld aan te passen aan het PEGS-probleem - en dat is gelukt."

"We hebben ons nieuwe algoritme voor het eerst toegepast op de Tohoku-beving bij Japan in 2011, die ook de oorzaak was van de tsunami in Fukushima, " zegt Sebastian Heimann, programmaontwikkelaar en data-analist bij GFZ. "Daar, metingen van de sterkte van het PEGS-signaal waren al beschikbaar. De consistentie was perfect. Dit gaf ons zekerheid voor de voorspelling van andere aardbevingen en het potentieel van de signalen voor nieuwe toepassingen."

In de toekomst, door de veranderingen in zwaartekracht te evalueren op vele honderden kilometers afstand van het epicentrum van een aardbeving voor de kust, deze methode kan worden gebruikt om te bepalen, zelfs tijdens de aardbeving zelf, of er sprake is van een sterke aardbeving die een tsunami zou kunnen veroorzaken, volgens de onderzoekers. "Echter, er is nog een lange weg te gaan, ", zegt Rongjiang Wang. "De meetinstrumenten van vandaag zijn nog niet gevoelig genoeg, en de door de omgeving veroorzaakte interferentiesignalen zijn te groot om de PEGS-signalen direct te integreren in een functionerend tsunami-waarschuwingssysteem."