پیش‌ بینی زلزله با کمک سیستمی جدید

در این پست از bloginoo به بررسی پیش‌ بینی زلزله با کمک سیستمی جدید پرداخته ایم.

Terra Seismic می تواند اکثر زمین لرزه های بزرگ (M6.2 یا بیشتر) را حداقل 2 تا 5 ماه قبل از وقوع آنها پیش بینی کند. پیش‌ بینی جهانی زلزله بر اساس تعیین مناطق تحت تنش است که قبل از زلزله‌ های بزرگ شروع به رفتار غیر عادی می‌کنند. اندازه مناطق تحت تنش مشاهده شده تقریباً با تخمین های محاسبه شده از فرمول دوبروولسکی مطابقت دارد. برای شناسایی ناهنجاری‌ ها و پیش‌بینی، Terra Seismic از روش‌ های مختلفی از جمله روش‌ های سنجش از دور ماهواره‌ ای و داده‌ های ابزار های زمینی استفاده می‌کند. ما در حال حاضر روزانه ترابایت اطلاعات را پردازش می کنیم و از بیش از 80 سیستم مختلف پیش بینی چند پارامتری استفاده می کنیم. هشدارها در صورتی صادر می‌شوند که ناهنجاری‌ ها توسط حداقل پنج سیستم مختلف تأیید شوند. ما مشاهده کردیم که الگوهای ژئوفیزیکی توسعه زلزله و تجمع تنش به طور کلی برای همه مناطق کلیدی لرزه‌خیزی یکسان است. بنابراین، همان روش‌ها و سیستم‌ های پیش‌ بینی زلزله را می‌توان با موفقیت در سراسر جهان به کار برد. فناوری ما برای آزمایش گذشته‌ نگر داده‌ های جمع‌ آوری‌ شده از سال 1970 استفاده شده است و حدود 90 درصد از تمام زمین‌ لرزه‌ های مهم در 50 سال گذشته را با موفقیت شناسایی کرده است.

1. معرفی

پیش بینی زلزله یکی از قدیمی ترین مهارت هایی است که بشر شناخته است. اولین پیش بینی شناخته شده توسط فرسیدس از سیروس در حدود 2500 سال پیش انجام شد : او آن را در حین برداشتن آب از یک چاه انجام داد و متوجه شد که معمولاً آب بسیار تمیز به طور ناگهانی گل آلود شده است. در واقع، دو روز بعد زلزله ای رخ داد و فرسیدس را مشهور کرد. پدیده های طبیعی غیر عادی مانند ابرهای لرزه ای، تغییر در رفتار موجودات زنده و غیره ممکن است قبل از وقوع بسیاری از زلزله های بزرگ مشاهده شوند. یونانیان باستان بسیار نزدیک به طبیعت زندگی می کردند و قادر به تشخیص پدیده های غیر عادی و پیش بینی زلزله بودند. منابع متعدد نشان می دهد که پیش بینی زلزله یک علم شناخته شده در یونان باستان بوده است.

از یونان باستان تا به امروز، دانشمندان بی‌شماری سعی کرده‌اند ابزارهایی را برای پیش‌ بینی زلزله ایجاد کنند. تلاش آنها معمولاً بر جستجوی پیش ساز های قابل اعتماد زمین لرزه های آتی متمرکز بود. امروزه روش های لرزه نگاری و سنجش از دور بیشترین پتانسیل را در حل مسئله پیش بینی زلزله دارند. هر دوی این روش‌ های پیشرو می‌توانند اطلاعات بلادرنگ لازم برای پیش‌ بینی جهانی را فراهم کنند. دانشمندان قبلاً داده های تاریخی قابل اعتماد کافی را جمع آوری کرده اند تا بتوانند آزمایشات گذشته نگر دقیق انجام دهند.

طبیعی ترین وسیله برای پیش بینی زلزله مطالعه لرزه خیزی است. بنابراین، روش‌های لرزه‌ای نشان‌دهنده گروه اول روش‌ شناسی برای پیش‌ بینی زلزله هستند. تلاش های مختلفی برای پیش بینی زمین لرزه ها بر اساس تحلیل لرزه خیزی محلی صورت گرفته است. یکی از برجسته ترین دستاورد های دهه 1980، توسعه خانواده الگوریتم های M8 توسط ولادیمیر کیلیس-بوروک و همکاران بود. با این حال، یک تحلیل انتقادی از پیش‌ بینی‌ هایی که پیش‌ بینی می‌کند، نرخ موفقیت پایینی را نشان داده است.

گروه دوم روش‌ شناسی از سنجش از دور ماهواره‌ای استفاده می‌کند. طیف گسترده‌ای از روش‌ های سنجش از دور برای تحلیل و پیش‌ بینی زلزله از جمله مشاهدات مرئی و فروسرخ، تداخل سنجی رادار ماهواره‌ ای و بررسی حرارتی و غیره استفاده شده است. از روش های GPS نیز استفاده شده است. داده ها از چندین پارامتر ژئوفیزیکی برای به دست آوردن یک سیگنال پیش بینی احتمالی گردآوری شده است : سطح زمین، سطح دریا و دمای هوا، تابش امواج بلند خروجی (OLR) [10]، رطوبت، جابجایی سطح، و غیره. ناهنجاری های متعددی توسط بسیاری از محققان پیش از این ثبت شده است. زمین لرزه های مختلف با استفاده از تکنیک های ماهواره سنجش از دور در سطوح خشکی و دریا و در جو.

2. ژئو فیزیک و پیش بینی جهانی زلزله

روش پیش‌بینی جهانی لرزه‌ای Terra به برخی از مفروضات پذیرفته شده پایبند است و مبتنی بر مشاهده و تشخیص فرآیندهای ژئوفیزیکی واقعی است که همیشه در زیر سطح زمین قبل از زلزله اتفاق می‌افتد. در حالی که زلزله برای انسان بسیار ناگهانی اتفاق می افتد، اما برای طبیعت ناگهانی نیست. در طبیعت، زمین لرزه ها در طول زمان در یک فرآیند تدریجی که شامل انباشته شدن مقدار زیادی استرس فیزیکی است، ایجاد می شوند. این تنش انباشته شده متعاقباً به عنوان مقدار زیادی انرژی در هنگام وقوع زلزله آزاد می شود. به عنوان مثال، یک زلزله 7 ریشتری همان مقدار انرژی را آزاد می کند که 32 بمب هیروشیما, انرژی آزاد می کند. روش ما بر این فرض استوار است که چنین تجمع عظیمی از استرس را می توان با موفقیت از قبل تشخیص داد. منطقه زلزله آتی تحت تنش خواهد بود و در نتیجه رفتار متفاوتی نسبت به سایر مناطق مجاور خواهد داشت.

در واقع، پیش بینی واقعی زلزله بسیار شبیه به تشخیص بیماری های زمینه ای انسان بر اساس مشاهده و تجزیه و تحلیل علائم و نشانه های هر بیمار است. درست همانطور که تب نشانه ای برای مراجعه به پزشک است زیرا چیزی اشتباه است، ناهنجاری در پارامتر های ژئوفیزیک نشان می دهد که چیزی در آن نقطه خاص از جهان اشتباه است. قبل از وقوع زلزله، می‌توانیم در داده‌ هایی که جمع‌ آوری می‌کنیم، متوجه ناهنجاری‌ ها شویم. این انحرافات به ما می گوید که یک رویداد در راه است. زمین لرزه های بزرگ حوادث بسیار نادر اما تکراری هستند. آنها ممکن است هر 30، 40، 50، 70 یا حتی 100 سال یک بار در یک منطقه خاص رخ دهند. همانطور که می توان انتظار داشت، ما می توانیم ترکیبات منحصر بفرد تاریخی از پارامتر های خاص را در مناطق تحت تنش قبل از ضربه زدن به آنها توسط یک زلزله آتی مشاهده کنیم.

در بسیاری از موارد، هر چه بزرگی رویداد پیش رو بیشتر باشد، ناحیه تنش مشاهده شده بزرگتر خواهد بود. اندازه مناطق تحت تنش مشاهده شده تقریباً مطابق با تخمین های حاصل از فرمول معروف Dobrovolsky است. همچنین، کاملاً مطابق با انتظارات ما، کشف کردیم که اندازه ناحیه تحت تنش به تدریج در طول دوره ایجاد طولانی‌ تر مرتبط با رویداد های بزرگتر افزایش می‌یابد.

3. رویکرد جدید مبتنی بر جمع آوری و پردازش کلان داده در سراسر جهان

برای توسعه روش پیش‌بینی ما، تیم تحقیق و توسعه ما تمام داده‌های موجود در مورد زمین‌ لرزه‌ ها، پیش‌بینی‌ های آن‌ها و پیش‌ بینی زلزله را از همه منابع در طول 2000 سال گذشته جمع‌آوری کرد. در حالی که برخی از دانشمندان بیشتر تلاش ها و تحقیقات خود را فقط بر روی یک کشور یا منطقه خاص مانند ژاپن یا کالیفرنیا متمرکز می کنند، تیم ما می تواند داده های کل جهان را تقریباً در زمان واقعی به طور موثر تجزیه و تحلیل کند. ما کشف کرده‌ایم که داده‌ های قابل اعتماد برای برخی از مناطق خاص، مانند کالیفرنیا، می‌تواند با موفقیت با داده‌ های سایر مناطق لرزه‌ خیزی کلیدی تکمیل شود. بنابراین، با اعمال یک رویکرد جهانی مبتنی بر کاربرد های کلان داده، توانسته ایم حجم داده های قابل اعتماد را برای توسعه و آزمایش نظریه ها، مدل ها و سیستم های کاملاً جدید به میزان قابل توجهی افزایش دهیم.

ما از فناوری داده های بزرگ ماهواره ای نوآورانه استفاده می کنیم که قادر به پردازش و تجزیه و تحلیل ترابایت اطلاعات هر روز است. هسته سیستم ما عمدتاً در پایتون برنامه ریزی شده است و در یک اکو سیستم نرم افزار منبع باز زندگی می کند. فرانت اند روی وب سرور آپاچی و در محیط دبیان گنو / لینوکس اجرا می شود. هسته سیستم به طور کلی به NumPy برای محاسبات و مجموعه ای از ابزار های مکانی منبع باز متکی است. از GDAL برای خواندن و پردازش داده های ماهواره ای بایگانی شده، PROJ برای محاسبه تبدیل مختصات لازم، و Matplotlib و CartoPy برای گرافیک نهایی استفاده می کند. برخی از بخش‌ های سیستم‌ ها به زبان R نوشته شده‌اند که به طور خاص برای محاسبات آماری هدف قرار گرفته است.

ما زبان برنامه نویسی پایتون را انتخاب کردیم تا بتوانیم به سرعت سیستم را در تولید مستقر کنیم و ایده ها و الگوریتم های جدید را به سرعت پیاده سازی کنیم، بنابراین به طور مداوم تعداد پارامتر های درگیر را گسترش دهیم. پشته نرم‌افزار مبتنی بر لینوکس منبع باز همچنین به ما توانایی اجرای سریع و بدون دردسر را می‌دهد و وقتی ویژگی‌ های جدید به‌طور دائم به سیستم اضافه می‌شوند، انعطاف‌ پذیری بیشتری را به ما می‌دهد.

الگوریتم‌ های نرم‌افزار اصلی تصاویر ماهواره‌ای و داده‌های ابزارهای زمینی را به منظور کشف مناطق تحت فشار بر اساس مقایسه‌ های خاص منطقه از داده‌ های فعلی در برابر داده‌ های تاریخی تجزیه و تحلیل می‌کنند.

4. مروری بر فناوری پیش‌ بینی زمین لرزه جهانی Terra

Terra Seismic در سال 2012 تاسیس شد. در سال 2019، این شرکت به Baar، سوئیس نقل مکان کرد. Terra Seismic می تواند اکثر زمین لرزه های بزرگ (M6.2 یا بیشتر) را حداقل 2 تا 5 ماه قبل از وقوع آنها پیش بینی کند. ما در حال حاضر پیش بینی زلزله را برای 25 منطقه زلزله خیز اصلی ارائه می دهیم : آلاسکا، بالکان، کالیفرنیا، کانادا، کارائیب، آمریکای مرکزی، شیلی، چین، یونان، هند و پاکستان، اندونزی، ایران، ایتالیا، جزایر ایزو، ژاپن، کامچاتکا و جزایر کوریل، مکزیک، آسیای مرکزی، نیوزیلند، اوکیناوا، پاپوآ گینه نو، پرو، فیلیپین، تایوان و ترکیه.

Terra Seismic می تواند کانون زلزله پیش رو را با سطح اطمینان بالایی شناسایی کند. در حال حاضر، این شرکت می تواند مناطق بالقوه خطر زلزله را با شعاع 150 تا 250 کیلومتر شناسایی کند. به طور کلی، Terra Seismic قول پیش بینی زلزله را نمی دهد اگر مرکز زمین لرزه در عمق 40 کیلومتری قرار داشته باشد. برخی استثناها ممکن است. خوشبختانه، چنین زمین لرزه هایی تقریباً همیشه بی ضرر هستند، زیرا انرژی زمین لرزه قبل از رسیدن به سطح زمین تلف می شود. گاهی اوقات به جای یک زلزله پیش بینی شده، چند زلزله کوچکتر در منطقه و بازه زمانی مشخص شده رخ می دهد. در چنین مواردی، سیستم‌های Terra Seismic مجموع انرژی آزاد شده توسط تمام حملات لرزه‌ای کوچک‌ تر را به درستی پیش‌ بینی می‌کنند. به همین دلیل، بزرگی واقعی زمین لرزه گاهی کمتر از میزان پیش بینی شده است.

ما سیستم های پیش بینی جهانی بلند مدت (از 2 تا 5 سال)، میان مدت (از 2 ماه تا 2 سال) و کوتاه مدت (از 10 تا 60 روز) را توسعه می دهیم. سیستم های میان مدت قابل اطمینان ترین هستند و می توانند اکثر زمین لرزه های بزرگ را حداقل 2 تا 5 ماه قبل پیش بینی کنند.

فناوری Terra Seismic برای آزمایش گذشته‌ نگر داده‌های جمع‌ آوری‌شده از سال 1970 استفاده شده است و سیستم‌ های آن با موفقیت حدود 90 درصد از تمام زمین‌ لرزه‌ های مهم را در 50 سال گذشته پیش‌ بینی کرده‌اند. فناوری ما از سال 2013 مورد استفاده عملی قرار گرفته است. یک بیمه گر برتر زلزله در کالیفرنیا تقریباً پنج سال پس از اینکه مشتری Terra Seismic در سال 2015 شد، پیش بینی های ما را با موفقیت آزمایش کرده است. Terra Seismic فعالانه روی بهبود قابلیت های پیش بینی خود کار می کند.

5. سنجش از راه دور

انواع ناهنجاری های حرارتی بارها و بارها قبل از زمین لرزه های مختلف توسط بسیاری از محققین با استفاده از تکنیک های ماهواره ای سنجش از دور به کار رفته در دمای سطح زمین و دریا ثبت شده است. ناهنجاری های حرارتی مرتبط با زلزله های قوی در سطوح مختلف از سطح زمین تا بالای ابرها مشاهده شده است. در حال حاضر، امیدوار کننده ترین ناهنجاری تابش امواج بلند خروجی (OLR) است که در بالای ابرها اندازه گیری شده است. مزیت این روش این است که تمام تشعشعات فروسرخ ساطع شده از سطح و جو زمین را در پنجره شفافیت 8 تا 12 میکرون اندازه گیری می کند. OLR در حال حاضر توسط ابزار AIRS (Atmospheric Infrared Sounder) که در سال 2002 به مدار پرتاب شد، نقشه برداری می شود. AIRS یکی از شش ابزار موجود در ماهواره Aqua، بخشی از سیستم رصد زمین ناسا است.