uredi› krajšaj› T:218 M:382 Z: [×]

Bomo nekoč lahko napovedovali potrese?

Septembra 2017, približno dve minuti preden je potres z magnitudo 8,2 stresel Ciudad de Mexico, je prebivalce na to opozorilo presunljivo zavijanje siren. Takšen alarm, ki ga zdaj uporabljajo tudi v Združenih državah Amerike, na Japonskem, v Turčiji, Italiji in Romuniji, je spremenil naš pogled na grožnjo zaradi potresov, saj tako niso več popolno presenečenje.

Allie Hutchison, MIT Technology Review

Sistemi za zgodnje opozarjanje o nevarnosti potresa obveščajo po telefonu ali pa na prizadetih območjih sprožijo glasna zvočna opozorila, od tri do pet sekund trajajoča, po tem, ko se začne potencialno uničevalen potres. Seizmometri blizu žarišča potresa zaznajo začetek tresenja tal, natančno sprogramirani algoritmi pa presodijo njegov verjetni obseg. Če je zmeren do velik, opozorilo nato potuje hitreje kot sam potres in pride nekaj sekund do minut prej. To časovno okno je ključno, saj v teh trenutkih ljudje lahko zaprejo plin, izklopijo elektriko, spravijo gasilska vozila iz garaže in se odpravijo proti zatočišču.

Na japonski leseni grafiki iz leta 1855 je upodobljen namazu, velikanski mitološki som, ki naj bi bil odgovoren za potrese. Obrtniki, ki bodo imeli koristi od obnove mesta, hitijo, da bi ga rešili pred napadi kmetov.

Vendar imajo ti sistemi svoje omejitve. Sprožijo lahko lažne alarme ali neupravičeno molčijo, še več, odzivajo se le na potres, ki se je že začel – potresov ne moremo napovedati podobno kot vremena. In nemalo območij, na katerih je veliko potresov, je zato vedno na trnih. Z učinkovitim napovedovanjem bi lažje upravljali vsa tveganja, od izklopa električnega omrežja do evakuacije prebivalcev.

Ko sem se leta 2013 vpisala na doktorski študij seizmologije, je že sama tematika napovedovanja potresov veljala za neresno, saj ni sodila v krog najbolj razširjenih raziskav in so jo metali v isti koš kot lov na pošast iz Loch Nessa.

Le sedem let pozneje je bilo precej drugače. Ko sem takrat vpisala drugi podoktorski študij, sem ugotovila, da so znanstveniki v tej panogi postali precej bolj dojemljivi za napovedovanje potresov. V projektu Tectonic, pri katerem sem sodelovala, so s strojnim učenjem izboljšali napovedi. Evropski raziskovalni svet so uspešno prepričali o njegovem potencialu, zato ga je podprl s štiriletnim financiranjem v višini 3,4 milijona evrov.

Danes se veliko uglednih znanstvenikov resno ukvarja z možnostmi napovedovanja potresov in dosega napredek na svojih specializiranih področjih. Nekateri preučujejo drugačno vrsto počasnih premikov ob tektonskih prelomnicah, ki bi lahko bili zgovorno znamenje, da se pripravlja uničevalen potres, ki se ga vsi bojimo in ga poznamo iz poročil. Drugi upajo na namige iz drugih podatkov – o seizmičnem hrupu, vedenju živali in elektromagnetizmu –, ob pomoči katerih bi se znanost o potresih približala možnosti, da bi opozorila izdajali pred začetkom tresenja.

Tipanje v temi

Fizika o potresih se včasih zdi precej nejasna. Astronomi lahko opazujejo zvezde, biologi pa živali. Tisti pa, ki preučujemo potrese, ne moremo videti pod površje, vsaj ne neposredno. Pomagamo si z nadomestki, da lažje razumemo, kaj se dogaja v Zemlji, ko se njena skorja trese, kot so seizmologija, preučevanje zvočnih valov zaradi premikov v notranjosti, geodezija, uporaba orodij, kot je globalni sistem pozicioniranja za merjenje sprememb na površju Zemlje, in paleoseizmologija, raziskovanje ostankov preteklih potresov, skritih v geoloških plasteh pokrajine.

Brez temeljitega znanja o tem, kaj se dogaja pod zemljo, ni mogoče razbrati ustaljenih vzorcev.

Marsičesa še ne vemo. Desetletja po splošnem sprejetju teorije o tektoniki plošč v 60. letih naše razumevanje nastanka potresov ni napredovalo bistveno dlje od ugotovitve, da se napetost stopnjuje do kritične meje, na kateri se sprosti s tresenjem. Prelomnica je lahko bolj občutljiva zaradi različnih dejavnikov, med katerimi je pomembna voda: vbrizgavanje odpadnih voda zaradi črpanja nafte in zemeljskega plina je v zadnjem desetletju pripomoglo k občutnemu povečanju tektonske dejavnosti po osrednjih Združenih državah Amerike. Kar pa se tiče samega dogajanja na prelomnici, še vedno bolj ali manj tipamo v temi. Ob pomoči seizmičnih valov in z mapiranjem lokacij potresov bi lahko sestavili okviren zemljevid prelomnic, vendar ne moremo neposredno meriti pritiska na njih, prav tako ne moremo ovrednotiti praga, nad katerim bi se tla začela premikati.

Dolgo časa smo bili pri napovedovanju omejeni zgolj na oceno, kako pogosti so potresi na nekem območju. Primer: zadnji potres, ki je razklal celotno dolžino južne prelomnice Svetega Andreja v Kaliforniji, se je zgodil leta 1857. Povprečni čas med velikimi potresi na tem območju ocenjujejo na 100 do 180 let. Po grobem preračunu bi lahko že presegli to obdobje, a kot nakazuje velik razpon pri oceni, so intervali lahko zelo različni in zato zavajajoči. Vzorec je omejen na zgodovino človeštva in geološko dogajanje, ki ga še vedno lahko spremljamo, kar pa predstavlja le delček potresov v zgodovini Zemlje.

Leta 1985 so znanstveniki na enem od odsekov prelomnice Svetega Andreja, na Parkfieldu v osrednji Kaliforniji, začeli vgrajevati seizmometre in druge naprave za opazovanje potresov. Tam so se tla šestkrat zatresla v neobičajno enakomernih časovnih razmikih v primerjavi s potresi ob drugih prelomnicah, zato so znanstveniki z ameriške geološke uprave z visoko stopnjo verjetnosti napovedali, da bo do naslednjega podobno močnega potresa prišlo pred letom 1993. Eksperiment na splošno velja za neuspešnega in tla so se zatresla šele 2004.

Primere enakomernih razmikov med podobno močnimi potresi poznamo tudi z drugih lokacij, na primer Havajev, vendar so to izjeme, ne pravilo. Neprimerno pogosteje zato razmike navajajo kot povprečja z visoko stopnjo odstopanja. Na območjih, kjer je več močnejših potresov, ti razmiki lahko pomenijo nekaj stoletij, a tudi v tem primeru lahko prištejemo ali odštejemo nekaj sto let. Ta metoda napovedovanja je torej nesporno daleč od eksaktne znanosti.

Desetletja po splošnem sprejetju teorije o tektoniki plošč v 60. letih naše razumevanje nastanka potresov ni napredovalo bistveno dlje od ugotovitve, da se napetost stopnjuje do kritične meje, na kateri se sprosti s tresenjem.

Tom Heaton, geofizik, ki dela na Caltechu, nekoč pa je bil vodja znanstvenikov v ameriški geološki upravi, ne verjame, da bomo sploh kdaj zmožni napovedovati potrese. Nanje gleda kot na stohastično dogajanje, kar pomeni, da lahko preračunamo kvečjemu njihovo verjetnost, ne moremo pa jih natančno napovedovati.

»Z zornega kota fizike je to kaotičen sistem,« je pojasnil Heaton. Izhodišče pa so dokaj prepričljivi dokazi, da je obnašanje Zemlje sistematično in deterministično. A brez dobrega poznavanja tega, kar se dogaja pod tlemi, ni mogoče imeti vtisa o redu. »Ko rečeš kaos, ljudje pomislijo, da imaš v mislih neurejen sistem, vendar kaotično v resnici pomeni tako zapleteno, da ni mogoče napovedati dogajanja.«

A znanstveno razumevanje dogajanja v Zemljini skorji napreduje in znanstveniki imajo na voljo vse naprednejša orodja, zato upravičeno pričakujemo, da se bodo izboljšale tudi njihove napovedi.

Počasni premiki

Tako malo dogajanja v notranjosti našega planeta znamo ovrednotiti, da se je napovedovanje potresov dolgo upravičeno zdelo kot nekaj nemogočega. Na začetku tega stoletja pa se je ta možnost začela nakazovati zaradi dveh odkritij.

Seizmologi so na tektonskem območju na jugozahodu Japonske odkrili nenavaden seizmični signal z majhnim razponom, ki je trajal od nekaj ur do več tednov, zaznavali pa so ga v enakomernih razmikih. Česa takšnega še niso doživeli. Dogajanje so poimenovali tektonski potresni sunki.

Geodeti, ki so preučevali območje spodrivanja (subdukcije) v Kaskadiji, prostranem pasu vzporedno z obalo ameriškega tihomorskega severozahoda, kjer ena plošča sega čez drugo, pa so odkrili dokaze o obdobjih, ko se je del skorje počasi premikal v nasprotno smer od običajne. Ta pojav, ki so ga poimenovali počasno drsenje, je ostal omejen na tanko plast Zemljine skorje pod območjem, kjer sicer redno prihaja do potresov, in tam visoke temperature ter pritisk izraziteje vplivajo na 'obnašanje' skal in njihovo medsebojno učinkovanje.

Znanstveniki, ki so preučevali Kaskadijo, so opazili enake znake, kot so jih na Japonskem, in ugotovili, da se pojavijo v istem času in na istem kraju kot počasno drsenje. Odkrili so novo vrsto potresa. Tudi med temi počasnimi potresi se tako kot med običajnimi prerazporedijo napetosti v skorji, vendar trajajo dlje, od nekaj sekund do več let. Ponekod so tako kot v Kaskadiji redni pojav, drugje pa so izjemen dogodek.

Znanstveniki so nato odkrili, da se med počasnim potresom poveča možnost za navadnega, sploh na območjih spodrivanja. Na prekrivajoči se del prelomnice, kjer nastajajo potresi, delujejo tako običajni premiki plošče kot neredni, občasni premiki nazaj med počasnimi potresi, in sicer v večji globini, kot se začnejo potresi. Ti skrivnostni počasni dogodki so postali tema mojih doktorskih raziskav, vendar uganke (kot je pri doktorskih nalogah pravzaprav zelo pogosto) nisem razrešila. Še danes ni jasno, kakšni mehanizmi se skrivajo za tovrstno aktivnostjo.

Bi počasne potrese kljub temu lahko izkoristili za napovedovanje običajnih? Odkar smo jih odkrili, so po skoraj vseh obsežnih potresih pripravili več strokovnih razprav, v katerih so avtorji ugotavljali, da so sledili počasnemu potresu. Potres na Japonskem leta 2011 z magnitudo 9 je sledil ne le enemu, temveč kar dvema počasnima potresoma. Obstajajo tudi izjeme in tako kljub prizadevanjem raziskovalcev še vedno ni dokaza, da je leta 2004 počasni potres napovedoval potres na Sumatri, ki mu je nato sledil uničevalni cunami, v katerem je umrlo več kot 200.000 ljudi. Še več, počasnemu potresu ne sledi nujno običajen. Ni znano, ali so razlike med počasnimi potresi, ki jim sledi običajen, ali tistimi, ki jim ne sledi.

Mogoče se nekaj ur pred velikim potresom ob prelomnici dogaja nekaj posebnega. Seizmolog Quentin Bletery je s kolegi iz Geoazurja, multidisciplinarnega raziskovalnega laboratorija na jugu Francije, predlani objavil izsledke analize podatkov o deformacijah skorje nekaj ur pred 90 večjimi potresi. Ugotovili so, da se je v približno dveh urah pred tresenjem tal skorja ob prelomnici v smeri potresne razpoke deformirala hitreje vse do trenutka, ko se je začel potres. Po Bleteryjevih besedah to pomeni, da se pred premiki zaradi potresa ob prelomnici dogaja nekakšno pospeševanje, nekaj podobnega počasnemu potresu.

»To dejansko podpira domnevo, da se pred potresom nekaj dogaja, to smo torej dognali,« je razložil. »A najverjetneje fizično ni mogoče, da bi iz tega lahko napovedovali, saj niti nimamo instrumentov.« Povedano drugače, napovedovalni znaki morda obstajajo, vendar jih trenutno nismo zmožni dovolj natančno izmeriti, da bi jih prepoznali, preden udari nesreča.

Bletery s kolegi si je pri raziskavi pomagal s statistično analizo podatkov, pridobljenih z globalnim sistemom pozicioniranja; v teh podatkih bi se lahko skrivali tudi namigi, ki jih tradicionalni modeli in referenčni okviri ne zajemajo. Seizmologi si danes pomagajo s strojnim učenjem, in čeprav je še zgodaj, bi ravno z njim morda lahko razkrili skrite strukture in vzorčne povezave v na prvi pogled zmešnjavi podatkov.

Iskanje namigov v hrupu

Raziskovalci potresov si s strojnim učenjem pomagajo na več načinov. Nekateri so tako kot Mostafa Mousavi in Gregory Beroza s Stanforda preučevali, kako ga izkoristiti za napovedovanje magnitude potresa, in sicer na podlagi seizmičnih podatkov s posameznih seizmoloških postaj, kar bi lahko bilo nadvse uporabno za sisteme zgodnjega obveščanja in pomagalo razjasniti, kateri dejavniki vplivajo na obseg potresa.

Potres na Japonskem leta 2011 z magnitudo 9 je sledil ne le enemu, temveč kar dvema počasnima potresoma.

Brendan Meade, harvardski predavatelj vede o Zemlji in planetih, zna ob pomoči nevronskih mrež napovedati lokacije popotresnih sunkov. Zachary Ross na Caltechu in drugi pa z globokim učenjem iz podatkov kljub močnemu hrupu v ozadju izluščijo seizmične valove, kar bi lahko pripomoglo k odkrivanju več potresov.

Paul Johnson iz državnega laboratorija Los Alamosa v Novi Mehiki, ki je postal moj mentor in hkrati prijatelj, ko sva se spoznala med mojim prvim doktorskim študijem, s strojnim učenjem lažje razvozla klobčič podatkov o potresih, ustvarjenih v laboratoriju.

Potrese je v laboratoriju mogoče ustvariti na več načinov. Razmeroma pogosta metoda je, da vzorec kamnine presekajo po sredini in tako simulirajo prelomnico, nato pa ga namestijo v kovinski okvir, ki pritiska nanj. Senzorji merijo, kaj se dogaja, ko se vzorec deformira.

Leta 2017 je raziskava iz Johnsonovega laboratorija pokazala, da bi strojno učenje lahko pomagalo pri presenetljivo natančnem napovedovanju, kako hitro bi se prelomnica, ki so jo naredili raziskovalci, začela tresti. V nasprotju s številnimi metodami, s katerimi ljudje napovedujejo potrese, zanjo niso potrebni zgodovinski podatki, temveč se opira le na vibracije iz prelomnice. Pomemben je tudi podatek, da se je tisto, kar so raziskovalci zanemarili kot nizkoamplitudni hrup, izkazalo za znak, ki strojnemu učenju omogoča napovedovanje.

Johnsonova ekipa je te ugotovitve prenesla na seizmološke podatke iz Kaskadije, kjer so prepoznali neprekinjen zvočni signal s predela spodrivanja, ki se ujema s hitrostjo, s katero se prelomnica premika skozi cikel počasnih potresov – nov vir podatkov za modele tega predela. »Strojno učenje nam omogoča prepoznavati povezave, za katere sploh nismo vedeli. In nekatere so res presenetljive,« je poudaril Johnson.

Strojno učenje bi nam lahko tudi pomagalo priti do več podatkov za preučevanje. V seizmoloških podatkih namreč prepozna morda kar desetkrat več potresov, kot se jih zavedamo. Beroza, Mousavi in Margarita Segou, raziskovalka na britanski geološki upravi, so ugotovili, da je strojno učenje uporabno za pripravo zanesljivejše podatkovne zbirke o preteklih potresih; svoje ugotovitve so leta 2021 objavili v razpravi, ki so jo sestavili za Nature Communications. Izboljšani podatkovni nizi lahko nam in napravam pomagajo bolje razumeti potrese.

»Veste, v naši skupnosti upravičeno vlada velika skeptičnost,« je povedal Johnson, »a menim, da smo ravno zato zmožni videti ter analizirati podatke in ugotoviti, kaj vse vključujejo, o čemer nismo nekoč mogli niti sanjati.

Živalski čuti

Nekateri raziskovalci torej stavijo na najsodobnejšo tehnologijo, drugi pa se ozirajo v zgodovino in na tej podlagi snujejo precej radikalne raziskave, katerih izhodišče so živali. Na eni od majic, ki sem jih zbrala v več kot desetih letih obiskovanja konferenc o geofiziki, je namazu, ogromen mitološki som, za katerega so na Japonskem verjeli, da povzroča potrese, ker plava pod Zemljino skorjo.

To bitje je neuradna maskota seizmologije. Pred potresom Edo leta 1855 na Japonskem so ribiči opazili neznačilno vedenje somov v reki. V razpravi, ki so jo leta 1933 objavili v reviji Nature, sta japonska seizmologa poročala, da so somi, zaprti v steklenih komorah, pred potresom postajali vse nemirnejši – ta sprememba njihovega vedenja naj bi z 80-odstotno natančnostjo napovedovala potrese.

Citat: Čim bliže so živali epicentru potresa, tem zgodnejše opozorilo je mogoče izluščiti iz njihovega paničnega obnašanja.

Somi niso edina takšna živalska vrsta. Že leta 373 pred našim štetjem so dokumentirali, da so številne vrste, med njimi podgane in kače, zapustile grško mesto več dni prej, preden ga je uničil potres. V poročilih o potresu, ki je leta 1906 prizadel San Francisco, pa so zapisali, da so konji tulili in nekateri v zgodnjih jutranjih urah tik pred potresom tudi zbežali.

Martin Wikelski, direktor raziskav na inštitutu Maxa Plancka za živalsko vedenje, s kolegi preučuje možnost, da bi na podlagi vedenjskih vzorcev udomačenih živali poskušali napovedati potrese. Leta 2016 in 2017 so v srednji Italiji pse, krave in ovce opremili z monitorji gibanja. Določili so osnovnico gibanja in postavili prag, kje se začne razdraženo vedenje: to je bilo 140-odstotno povečanje gibanja v razmerju z osnovnico, ki je trajalo več kot tri četrt ure. Ugotovili so, da so se živali vznemirile pred osmimi potresi od devetih z magnitudo, večjo kot 4, vključno s hudim potresom Norcia leta 2016 z magnitudo 6,6. Lažnih alarmov ni bilo, nikoli se ni zgodilo, da bi se živali vznemirile in temu ne bi sledil potres. Ugotovili so tudi, da čim bliže so bile živali epicentru potresa, tem zgodnejše opozorilo je bilo mogoče izluščiti iz njihovega paničnega obnašanja.

V poročilih o potresu, ki je leta 1906 prizadel San Francisco, je bilo zapisano, da so konji tulili in nekateri v zgodnjih jutranjih urah tik pred potresom tudi zbežali.

Wikelski je o tem pojavu razvil svojo hipotezo: »Mislim, da je mogoče nekaj v zraku, in v tej zvezi si lahko zamislim le ionizirane (električno nabite) delce.«

Elektromagnetizem ni teorija, ki bi ji lahko očitali, da je za lase privlečena. Svetlobo med potresom oziroma svetlobne emisije iz prelomnice, ki spominjajo na severni sij, so opazili pred številnimi potresi, tudi leta 2008 na Kitajskem, leta 2009 v Italiji, leta 2017 v Mehiki in celo septembra 2023 med potresom v Maroku.

Friedemann Freund, znanstvenik v Nasinem raziskovalnem središču Ames, to svetlobo preučuje že desetletja in jo pripisuje električnemu naboju, ki se aktivira zaradi premikov ob prelomnici v določeni vrsti skal, na primer v gabru in bazaltu. Nekaj podobnega se zgodi, če z nogavico podrgnemo ob preprogo in tako sprostimo elektrone, ki lahko koga stresejo.

Nekateri raziskovalci sumijo druge mehanizme, tretji pa povsem zavračajo predstavo, da bi bila ta svetloba kakorkoli povezana s potresi. Žal merjenje elektromagnetnih polj v Zemljini skorji in na površju ni preprosto. Nimamo instrumentov, ki bi zajeli večja področja elektromagnetnega polja. Če lokacije potresa ne poznamo vnaprej, je težko, če ne celo nemogoče, vedeti, kam postaviti meritvene instrumente.

Trenutno je najučinkovitejši način za merjenje teh polj v tleh s sondami, če naletimo na stalen pretok podtalnice. Nekateri strokovnjaki iščejo tudi elektromagnetne in ionosferske motnje v satelitskih podatkih, ki jih povzroča seizmična in predseizmična aktivnost, vendar so te raziskave še v povojih.

Majhni premiki

Nekaj največjih znanstvenih premikov je bilo doseženih, ne da bi razumeli temeljne mehanizme. Idejo, da se celine premikajo – kar je osnovni pojav v središču tektonike plošč –, je leta 1912 predstavil Alfred Wegener. Njegova teorija je temeljila predvsem na opažanju, da se obali Afrike in Južne Amerike dopolnjujeta, sodita skupaj kot kosa sestavljanke. A drugi so to odločno zavračali. Spregledal je bistveno sestavino, ki je vtisnjena v etos sodobne znanosti – zakaj, torej vzrok. Tako so teorijo o tektoniki plošč znanstveno oblikovali šele v 60. letih, ko so dobili dokaze, da Zemljina skorja nastaja in propada, in so končno razumeli mehanizme tega pojava.

Vsa ta leta vmes pa se je vse več ljudi poglobilo v ta pojav z različnih zornih kotov. Vzorci delovanja in razmišljanja so se spreminjali in kolesje sprememb je zagnal ravno Wegener.

Mogoče se enake spremembe dogajajo tudi zdaj pri napovedovanju potresov. Morda bodo minila še desetletja, preden se bomo lahko ozrli nazaj na to obdobje raziskovanja potresov in dobro razumeli njegovo vlogo pri napredku na tem področju. A nekateri, tako kot Johnson, so optimistični. »Res mislim, da bi to lahko bil začetek nečesa, kot je revolucija na področju tektonike plošč,« je izjavil. »Morda bomo dočakali nekaj podobnega.«

Copyright Technology Review, distribucija Tribune Content Agency.