За секунду до… ShakeAlert — система раннего предупреждения о землетрясениях всего Западного побережья США
Геологическая служба США (United States Geological Survey, USGS) разработала систему раннего предупреждения о землетрясениях (Earthquake warning system, EEW) под названием ShakeAlert для зон повышенного риска: в штатах Калифорния, Орегон и Вашингтон. Цель системы заключается в уменьшении воздействия землетрясений и спасении людей и собственности, делая массовые оповещения.
Используя сеть датчиков движения грунта и сложные компьютерные алгоритмы, ShakeAlert может обнаружить землетрясение за секунду после его начала, вычислив его эпицентр и интенсивность тряски, что позволяет принять соответствующие защитные меры. Задача ShakeAlert — быстрый и надежный сбор и доставка данных с датчиков в центры обработки для дальнейшего оповещения населения, чтобы уменьшить ущерб и спасти жизнь людей.
Предупреждён — значит вооружён
Более 143 миллиона человек живут в сейсмически опасных зонах США. Большинство этих зон расположены в густонаселённых районах на активной плиточно-тектонической границе Западного побережья континентальной части США. Федеральное управление по чрезвычайным ситуациям (Federal Emergency Management Agency, FEMA) подсчитало, что годовой убыток от землетрясения по всей стране составляет 6,1 миллиарда долларов, из них 73% от этой суммы (4,5 миллиарда) приходится на Калифорнию, Орегон и Вашингтон (61% или 3,7 миллиарда долларов в год только на Калифорнию). Такая оценка относится только к потерям, связанными со строительством, и не учитывает коммунальные и транспортные потери, простои бизнеса и убытки, связанные со смертью и травмами. В ближайшие 30 лет ожидаются землетрясения с вероятностью в 99,7% магнитудой 6,7 балл и в 10% мощностью от магнитудой от 8 до 9 в зоне субдукции Каскадия. Система раннего предупреждения землетрясений обнаруживает землетрясения настолько быстро, что оповещение может достигнуть некоторых областей раньше возникновения сильной встряски, что может дать время для принятия защитных мер. По мере нарастания землетрясения становится доступными большой объём данных от дополнительных датчиков, и система проверяет и обновляет предупреждения. Район, расположенный очень близко к эпицентру может не получить предупреждение до начала сильной тряски, но оповещение все же может быть полезной. Урон можно минимизировать благодаря наличию плотных сетей с датчиками близко к эпицентру, более надёжными алгоритмами обнаружения и программным обеспечением, а также быстрой доставкой оповещений. В более отдаленных от эпицентра местах будет больше времени, чтобы действовать, плюс там будет менее сильная тряска.
Подобно другим системам раннего предупреждения о землетрясениях, ShakeAlert не предсказывает землетрясения, а пытается быстро идентифицировать сейсмическое событие и выдавать предупреждение до того, как почувствуется сотрясение. Оно делает это, обнаруживая быстро движущиеся (но слабые) P-волны, затем вычисляет местоположение и оценочную магнитуду землетрясения, после чего выдает предупреждение. В зависимости от расстояния человека от эпицентра землетрясения, предупреждение может достигнуть его раньше, чем это сделают более медленные (но разрушительные) S-волны.
В 2006 году Геологическая служба США (USGS) начала финансирование развития EEW в сотрудничестве с государственными и частными инвесторами и поставили перед собой цель построить общественную систему защиты от землетрясений для трёх штатов Западного побережья. Система построена на трёх из одиннадцати региональных сейсмических сетей Advanced National Seismic System (ANSS). Результатом этих усилий стала демонстрационная система, которая начал отправлять тестовые уведомления в январе 2012 г. В феврале 2016 г. производственный прототип версии 1.0 был запущен в Калифорнии и начал рассылать уведомления небольшой группе пилотных пользователей. В апреле 2017 года был запущён производственный прототип версии 1.2. для некоторых районов всего Западного побережья. В то же время, коммерческие компании начали разрабатывать продукты для защиты инфраструктуры и оповещения от землетрясений. В 2018 году USGS объявила о развертывании первой фазы оповещения населения через ShakeAlert.
Системы EEW работают не только в США. Общественное оповещение сделано по всей стране в Японии и на Тайване, а также в некоторых частях Мексики, Китая и Кореи. Турция, Италия и Румыния делают более ограниченное оповещение для защиты инфраструктуры. Несколько стран активно работают над системами, такие как Индия, Израиль и Чили.
Самое раннее предложение построить систему EEW появилась после землетрясения магнитудой 6,8 на реке Хейворд 21 октября 1868 года. В редакционной статье под названием «Индикатор землетрясений» в San-Francisco Daily Evening Bulletin через месяц после землетрясения д-р Дж. Д. Купер описал все основные элементы эффективной системы EEW: «простое самодействующее механическое устройство» использующее датчики за городом, подключённые через телеграфные линии к тревоге «странного звука». Похожее предложение было сделано в иранской газете в 1909 году после землетрясения магнитудой 7,4 когда в Иране погибли 8000 человек. В Японии в 1964 году произошло землетрясение магнитудой 7,5 в городе Ниигата, которое повредило некоторые конструкции новой железнодорожной системы, мотивируя Японские национальные железные дороги построить первую систему EEW. В 1985 году землетрясение магнитудой 8,1 у побережья Герреро в Мексике, погубило 10 000 человек, что побудило правительство Мексики для создания системы SASMEX, которая начала рассылать оповещения в 1993 г.
Система ShakeAlert использует существующие возможности мониторинга землетрясений и опыт двух региональных сейсмических служб ANSS. Первая, Калифорнийская интегрированная сейсмическая сеть (CISN) — это сотрудничество между Геологической службой США, Калифорнийским технологическим институтом, Калифорнийским университетом в Беркли,
Калифорнийской геологической службы (CGS) и Cal OES. Вторая, Тихоокеанская северо-западная сейсмическая сеть (PNSN) — это сотрудничество USGS, Университета штата Вашингтон и Университета Орегона. Группа ShakeAlert Central, расположенная в офисе USGS в Пасадене, управляет общесистемными операциями, разработкой, тестированием и мониторингом. Помимо сейсмических сетей, USGS управляет сетями Глобальной навигационной спутниковой системы (GNSS).
Shake it, don’t break it
Задействованы в общей сложности 1675 высококачественных сейсмических станций ANSS (Advanced National Seismic System) с возможностью EEW в реальном времени: 1115 из них в Калифорнии и 560 на северо-западе Тихого океана. Расстояние между станциями составляет 10 километров в городских районах, 20 км в районах с сейсмическими источниками, представляющими опасность для населенных пунктов, и 40 км в других районах.
Землетрясения на западном побережье США делятся на три категории — мелководные события, внутрипластинчатые события и мегатрастовые землетрясения. Мелководные землетрясения — самые частые, происходят по всему западному побережью. Эти события происходят в более прохладной хрупкой зоне земной коры с поверхности на глубину 35 километров (20 миль). Такие землетрясения могут достигать магнитуды до 8,0 баллов. Хорошо известные разломы, вызывающие сильные землетрясения осадочной коры, это разломы Сан-Андреас, Хейворд и Сиэтл. Мегатрастовые землетрясения происходят там, где океаническая плита толкается под доминирующую континентальную плиту в процессе, известном как субдукция. Такие события могут вызывать землетрясения до 9,0 баллов и больше. Так было с землетрясением у берега Тихоокеанского Северо-Запада в 1700 году, которое произвело большое цунами, достигшее берегов Японии. Напротив, внутрипластинчатые события происходят внутри опускающейся океанической плиты, когда она изгибается и разрывается под континентом. В результате эти события достаточно глубокие и обычно вызывают меньшее сотрясение земли, чем мелководные или мегатрастовые события сопоставимой величины. Тем не менее, внутрипластинчатые события все ещё могут причинить ущерб, если они обнаружены в населённых пунктах, такие как Портленд или Сиэтл. Землетрясение в Нисквалли 2001 г., которое нанесло разрушения Сиэтлу было внутрипластинчатым.
Сильные землетрясения не просты. Разрыв в разломе начинается в точке под поверхностью Земли, называемой гипоцентром, а затем распространяется по разлому, словно застёжка на молнии. Разрыв может расти как в одном, так и в обоих направлениях вдоль разлома. Фронт разрыва движется вниз по разлому со скоростью 3 километра в секунду (2 мили в секунду), но может прогрессировать нерегулярно, так как в разломе встречаются сильные и слабые участки. Чтобы правильно оценить последствия землетрясения, ShakeAlert должен отслеживать процесс разрыва по мере его роста.
Схематический разрез зоны субдукции Каскадия, показывающий три категории землетрясений, для которых Система ShakeAlert должна генерировать оповещения.
ShakeAlert представляет собой набор географически распределённых, но взаимосвязанных компонентов для обнаружения землетрясения настолько быстро, чтобы оповещения были отправлены людям и центрам обработки, позволяющие принимать защитные меры перед сильными трясками:
• Сенсорные сети — интегрированные сейсмические сети и геодезические датчики.
• Полевая телеметрия — системы передачи данных от полевых датчиков к региональному центру обработки с минимальной задержкой.
• Центры обработки и оповещения.
• Научные алгоритмы — научное программное обеспечение для анализа сейсмических и геодезических данных.
• Генерация предупреждений — программное обеспечение для управления научными результатами для создания оповещений и передавать их пользователям.
Схематический чертёж типичной сейсмической станции, используемой системой ShakeAlert.
Инфраструктура обработки данных ShakeAlert состоит из серверов, распределенных в Сиэтле, Менло-Парке, Беркли и Пасадене.
Блок-схема, показывающая архитектуру системы ShakeAlert версии 2.0.
Графический DMreview инструмент позволяет операторам отслеживать и просматривать результаты системы
ShakeAlert предоставляет информацию в реальном времени и представлена в нескольких вариантах для удовлетворения самых разных пользователей. Исходное решение и оценка пересматриваются в режиме реального времени по мере возрастания разлома и по мере того, как данные о движении земли становятся доступными со станций, расположенных рядом с разрывом, и по мере получения дополнительных данных от более удаленных станций.
Алгоритмы системы могут производить два типа решения для источников землетрясений. Первое — это точечное решение (earthquake point-source integrated code, EPIC), описывающий очаг землетрясения и магнитуду. Второй — решение с линейным исходным кодом (finite-fault detector, FinDer), которое изображает развивающийся разрыв разлома в виде линии на земной поверхности вместе с величиной.
ShakeAlert публикует следующие виды сообщений:
• Сообщения, содержащие информацию об эпицентре, глубине и силе землетрясения.
• Контурное сообщение. Эти сообщения содержат всю информацию в сообщении как набор вложенных контуров.
• Сообщение карты. Эти сообщения содержат всю информацию в виде сетки точек со значениями MMI, PGA и PGV.
Секунды могут стоить жизни
Геологическая служба США может постепенно наращивать значительные государственные инвестиции в сенсорные сети, системы телеметрии, центры обработки данных и программное обеспечение для мониторинга землетрясений. USGS также может использовать значительные институциональные знания и опыт в этих центрах, которые продемонстрировали компетентность в производстве быстрых, автоматических сейсмостойких приборов для аварийно-спасательных служб. Разработка велась в рамках давнего научного сотрудничества в области исследований и разработок между университетами и учеными USGS.
Партнерские отношения со многими организациями важны для успеха сетей мониторинга землетрясений USGS. Центры получают данные о движении грунта в реальном времени как от общественности, так и от частных организаций, эксплуатирующие датчики. Другие партнеры предоставляют безопасное расположение датчиков на своих объектах или пропускную способность данных через их коммуникационную инфраструктуру для обработки полевых данных центра. Эти партнерские отношения значительно улучшают производительность и снижают стоимость системы.
Стоимость вычислительной инфраструктуры и сенсорных сетей для ShakeAlert составляет 39,4 млн. долларов. Годовая стоимость эксплуатации и обслуживания оценивается в 28,6 млн. долларов в год. Создание высоконадёжной телеметрии данных обойдется ещ1 в 20,5 млн. долларов; однако эта стоимость может быть снижена, если партнёры по проекту предоставят пропускную способность на существующие системы.
Оповещения неэффективны, если они не переданы людям или не использовались для срабатывания автоматических защитных действий. Для максимальной эффективности уведомления ShakeAlert должны распространяться среди тысяч институциональных пользователей и миллионов общественных лиц с минимальной задержкой и максимальной надежностью.
Предупреждение за несколько секунд может показаться не таким уж полезным, но ShakeAlert действительно может предотвратить травмы или смерть, и уменьшить ущерб от землетрясений. Двери пожарного депо можно заранее открыть для предотвращения заклинивания; поезда, лифты и краны, можно остановить или припарковать в безопасном положении; трубопроводы могут быть перекрыты, и тем самым предотвратить разливы. Нескольких секунд бывает достаточно, чтобы люди приняли защитные действия, особенно если они были заранее обучены: лечь на землю, укрыться или удержаться за что-либо; толпы в школах, театрах и на спортивных объектах могут быть предупреждены и даны инструкции по предотвращению паники. Работники заводов, строительных площадок и больниц могут эвакуироваться из опасных зон. ShakeAlert может быть особенно ценным после особо сильного землетрясения, потому что афтершоки сотрясают ослабленные конструкции и создают угрозу спасателям и ремонтным работникам, находящиеся в опасных ситуациях. Даже если предупреждение поступит после сильной тряски, она повышает ситуационную осведомленность.
На правах рекламы
VDSina предлагает виртуальные серверы в аренду с внушительной производительностью под любые задачи, огромный выбор операционных систем для автоматической установки, есть возможность установить ОС с собственного ISO, удобная панель управления собственной разработки и посуточная оплата тарифа, который вы можете создать самостоятельно.
Подписывайтесь на наш чат в Telegram.
