Trillingen in de grond kunnen helpen bij het verbeteren van geavanceerde waarschuwingen over plotselinge overstromingen die het gevolg zijn van het smelten van gletsjers, volgens een studie die vandaag is gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .

Op 7 oktober, 1994, een natuurlijke dam die een gletsjermeer tegenhield, waardoor overstromingen stroomafwaarts het Bhutanese dorp Punakha binnenstromen. De plotselinge overstroming doodde 21 mensen, vernietigde 816 acres gewassen en 6 ton opgeslagen voedsel, en wegspoelden huizen en andere infrastructuur. De nieuwe studie, geleid door onderzoekers van het Lamont-Doherty Earth Observatory van Columbia University, ontdekten dat lokale seismische apparaten onbewust deze uitbarsting van het gletsjermeer vijf uur voordat het het dorp bereikte, registreerden.

Overstromingen door gletsjermeren komen steeds vaker voor en worden verwoestender in bergachtige gebieden. Als gletsjers smelten, het water stroomt in meren die opgesloten zitten achter dammen gemaakt van rotsachtig gletsjerafval en ijsophopingen. Wanneer de dam verschuift of er te veel druk achter opbouwt, het water van het meer stroomt uit in een catastrofale uitbarsting, een gevaar vormen voor stroomafwaartse gemeenschappen. Terwijl de planeet opwarmt, gletsjermeren worden groter en komen vaker voor, waardoor het potentieel voor overstromingen van gletsjermeren (GLOF's) toeneemt.

In de studie, onder leiding van Lamont-Doherty afgestudeerde student Josh Maurer, onderzoekers ontdekten dat een reeks seismometers op ongeveer 100 kilometer van het gletsjermeer om ongeveer 1:45 uur een duidelijk hoogfrequent signaal had opgenomen, rond de tijd dat de dam zou zijn gebarsten. Ze veronderstellen dat toen de dam brak, de krachtige en plotselinge uitstroom van water en/of sedimenten trof de rivierbedding, de trillingen veroorzaakt die door de seismometers werden opgepikt. Het team was in staat om de seismische gegevens te gebruiken om de overstroming te reconstrueren terwijl deze zich 90 kilometer stroomafwaarts baande, het dorp Punakha bereiken rond 7 uur.

Momenteel, instrumenten bewaken het lokale waterpeil in sommige gletsjermeren en waarschuwen lokale gemeenschappen als het meerpeil plotseling daalt, een GLOF aangeeft. Echter, het is bekend dat dergelijke systemen enigszins onbetrouwbaar zijn en in het verleden valse alarmen hebben afgegeven. De auteurs van het onderzoek suggereren dat met enige verfijning, real-time seismische monitoring kan worden gecombineerd met waterpeilmonitoringsystemen om valse alarmen te minimaliseren en waarschuwingstijden te maximaliseren. In aanvulling, een paar strategisch geplaatste seismische sensoren zouden mogelijk kunnen controleren op GLOF's over een groot gebied, terwijl waterpeilmeters meer per meer moeten worden geïnstalleerd.

De auteurs merken op dat er meer onderzoek nodig is voordat seismische GLOF-monitoren klaar zijn voor gebruik. Het team hoopt andere gevallen te vinden en te onderzoeken waar seismometers GLOF-gebeurtenissen hebben vastgelegd, om beter te begrijpen hoe u de signalen in realtime kunt lezen en analyseren. Ze waarschuwen ook dat de Punakha-vloed erg groot was, dus het signaal viel duidelijk op in de data; in de toekomst, ze hopen beter te begrijpen of de techniek op betrouwbare wijze kleinere uitbarstingen van gletsjermeren kan detecteren, die toch ernstige schade kunnen aanrichten.

Door de Punakha-vloed te reconstrueren, de onderzoekers konden ook verschillende modellen testen van hoe hoogwater naar verwachting door het gebied zou stromen, waaruit blijkt dat seismische gegevens kunnen helpen om de modellering van overstromingen te verbeteren. In aanvulling, de krant gebruikte satellietbeelden voor en na de GLOF om de effecten op het gebied te beoordelen.

Deskundigen die niet bij het onderzoek betrokken waren, waaronder geograaf Simon Allen en glacioloog Holger Frey (beiden van de Universiteit van Zürich), zei dat de studie een veelbelovende eerste stap is in de richting van een op seismologie gebaseerd systeem voor vroegtijdige waarschuwing. Allen zei dat er meer onderzoek nodig is, aangezien de techniek tot nu toe slechts op één meer is getest, en waarschuwde dat het onderhouden van een realtime seismisch monitoringnetwerk in de Himalaya of elders financiële en technische uitdagingen zou opleveren.

"De algoritmen moeten extreem betrouwbaar zijn, "zei Frey. "Alle gebeurtenissen moeten worden gedetecteerd, maar tegelijkertijd moeten valse alarmen met alle middelen worden vermeden." Hij benadrukte ook dat het betrekken van mensen uit de getroffen gemeenschappen bij het ontwerp en de implementatie van dergelijke systemen van cruciaal belang is om te bepalen of ze uiteindelijk wel of niet succesvol zijn.

"Deze studie is een geweldige demonstratie van het potentieel voor seismische detectie op lange afstand van grote uitbarstingen, " zei Kristen Cook, een geoloog van het Duitse onderzoekscentrum voor geowetenschappen van GFZ die niet bij het onderzoek betrokken was. "Deze seismische detectie zou belangrijke implicaties kunnen hebben als we terugkijken in de tijd om overstromingsmodellen te valideren en de processen van uitbarstingen van overstromingen beter te begrijpen, en mogelijk vooruit in de tijd als er een seismisch systeem voor vroegtijdige waarschuwing kan worden ontwikkeld. Uitbarstingen van overstromingen zijn een grote zorg in de Himalaya, vooral naarmate de ontwikkeling langs riviercorridors toeneemt en meren groeien, dus zowel robuustere vroegtijdige waarschuwing als betere modellering zouden aanzienlijke maatschappelijke voordelen hebben."

Andere auteurs van de studie zijn:Joerg Schaefer, Jozua Russel, en Nicolas Young van Columbia University; Summer Burton Rupper van de Universiteit van Utah; Norbu Wangdi van het Centrum voor Water, Klimaat, en milieubeleid in Bhutan; en Aaron Putnam van de Universiteit van Maine.

Lees meer over het onderzoek in een korte vraag en antwoord met co-auteur Joerg Schaefer, onderstaand.

Hoe is het idee voor dit onderzoek ontstaan?

Dit begon allemaal toen we werkten aan de goed bewaarde en bijna complete morenenreeksen voor de GLOF-meren. Ze zaten op het pad van de GLOF van 1994, en berylliumdatering laat zien dat ze oud zijn, zoals 4, 000 jaar oud. Ik was verbaasd over hoe zo'n verwoestende GLOF deze oude glaciale landvormen kon passeren zonder ze te vernietigen, ze uitwassen. Ik vroeg afgestudeerde student Josh Maurer om de spionagesatellietbeelden en de daaropvolgende teledetectiebeelden te controleren op foto's van de meren en morenen net voor en net na de overstroming. Hij deed dat, en we documenteerden de uitbarsting en vroege fase van de GLOF van 1994. We hebben geleerd dat de overstroming in het begin niet super dramatisch was, en haalde slechts een klein deel van het eindmorenegedeelte weg. Dit is een opvallende en angstaanjagende herinnering dat GLOF's die op deze grote hoogte beginnen, hun verwoestende energie oppikken door de zwaartekracht op hun weg naar beneden.

Josh realiseerde zich het potentieel, en we begonnen ons af te vragen of het GLOF-signaal niet zichtbaar zou moeten zijn in het seismometerrecord. Josh nam contact op met Josh Russell, een doctoraat student seismologie aan Lamont, en samen gingen ze aan de slag en pasten een techniek toe die 'op kruiscorrelatie gebaseerde seismische analyses' wordt genoemd, ' waarmee ze de evolutie van de GLOF met seismometers tot op 100 km afstand van de eigenlijke overstroming konden volgen. Ze vonden het overstromingssignaal in verbluffende helderheid en synthetiseerden de seismische gegevens met ooggetuigenverslagen en een stroomafwaarts meetstation in een numeriek overstromingsmodel.

We gebruikten ook de externe beelden voor en na de overstroming om de sedimentafzetting in de vallei stroomafwaarts te schatten om de schade te beoordelen, en volgde de snelheid van het herstel van de vegetatie.

Dit is waarschijnlijk de meest innovatieve aardwetenschappelijke paper waar ik deel van heb mogen uitmaken. Mijn belangrijkste rol daarin was het ondersteunen van het werk van deze briljante afstudeerders.

Ben je obstakels tegengekomen bij de ontwikkeling van dit project? Als, wat waren ze? Hoe heb je ze overwonnen?

Josh en Josh kwamen verschillende problemen tegen tijdens hun kruiscorrelatieanalyses, maar ze werkten briljant en effectief als een team. Toen alle resultaten op tafel lagen, het kostte ons een tijdje om de stukken uit veel verschillende disciplines te ordenen om een ​​coherent aardwetenschappelijk manuscript te vormen, en om het potentieel van deze techniek voor een nieuwe generatie GLOF-waarschuwingssystemen te realiseren en te formuleren.

Hoe denk je dat andere gletsjermeren prioriteit kunnen krijgen voor toekomstig onderzoek langs deze lijnen?

Een van de grootste troeven van deze aanpak is de regionale toepasbaarheid. We kunnen deze toolkit gebruiken, bijvoorbeeld, om het seismometerrecord te vragen of er al dan niet gelijkaardige 'GLOF-type signalen' in het systeem zijn. En, met behulp van Josh's satellietbeeldverwerkingstechnieken, we kunnen in de regio zoeken naar de bron van soortgelijke overstromingen die zich de afgelopen 40 jaar in het gebied hebben voorgedaan.

De formatie kunnen volgen, groei en in het bijzonder een toename van het peil van meren in de loop van de tijd is de sleutel om de gevaarlijkste meren in de regio te evalueren en te identificeren. Topografie en beschikbaarheid van sediment zijn waarschijnlijk vergelijkbaar in verschillende GLOF-gevoelige valleien in de regio, maar we moeten absoluut een kaart maken die menselijke nederzettingen en gebieden benadrukt die essentieel zijn voor hun levensonderhoud in relatie tot het GLOF-gevaar van hoger in de Himalaya.