Un viernes por la tarde en la primavera de 2011, el terremoto de Tōhoku-Oki sacudió el noreste de Japón durante seis minutos y desplazó la isla principal del país en dos metros y medio. Minutos más tarde, los residentes comenzaron a recibir advertencias de tsunami a través de los medios de difusión, teléfonos móviles y sirenas.

Pero las alertas iniciales subestimaron el tamaño de las olas y muchas personas no pudieron evacuar a un suelo lo suficientemente alto como para escapar de las olas que barrieron partes de la costa, algunas a alturas de hasta 120 pies.

Al salir de la catástrofe, Japón instaló una red de sensores sísmicos y de presión en el fondo del océano que han elevado el listón de los sistemas de alerta temprana de tsunamis en todo el mundo. Ahora, nueva investigación de científicos de la Escuela de la Tierra, Energy &Environmental Sciences (Stanford Earth) sugiere cómo las advertencias basadas en la transmisión de datos en tiempo real de sensores como los de Japón podrían hacerse más precisas combinándolas con simulaciones de tsunamis.

Publicado en la revisión por pares Cartas de investigación geofísica , el estudio describe un nuevo método diseñado específicamente para las alertas tempranas de tsunamis locales. "Eso significa advertir a los residentes de la costa que en los próximos 20 a 30 minutos llegará una ola de tsunami generada a 50 o 100 millas de la costa, "dijo el autor principal Eric Dunham, profesor asociado de geofísica en Stanford Earth.

Aquí, Dunham y el autor principal Yuyun Yang, estudiante de doctorado en el Instituto de Ingeniería Computacional y Matemática de Stanford, discutir su método y cómo en el futuro podría incluso aplicarse en lugares que carecen de sensores dedicados en alta mar, que actualmente solo se implementan en Japón.

¿Cómo funcionan hoy los sistemas de alerta de tsunamis?

Eric Dunham:Los sistemas de alerta de tsunamis actuales comienzan con una estimación de las propiedades de los terremotos a partir de ondas sísmicas, luego utilice las relaciones precalculadas entre los terremotos y los tsunamis que generan.

La mayoría de los tsunamis son causados ​​por un terremoto en alta mar que empuja el océano hacia arriba o hacia abajo. A medida que la gravedad empuja el agua hacia el equilibrio, nace un tsunami. Pero los tsunamis también se pueden generar de otras formas. Deslizamientos de tierra bajo el agua, que pueden acompañar a un terremoto o ocurrir de forma independiente, son un ejemplo clásico. Los sistemas de alerta tradicionales ignoran por completo los tsunamis de ese tipo de fuentes.

¿En qué se diferencia tu método?

Yuyun Yang:Mientras una ola de tsunami se mueve a través del océano, cambia de presión a lo largo de la columna de agua. Nuestro método reconstruye la superficie del océano y estima la altura de las olas en función de la presión detectada por los sensores en alta mar a medida que pasa el tsunami.

Dunham:Yuyun descubrió cómo aplicar una técnica de asimilación de datos, conocido como el filtro de conjunto de Kalman, reconstruir rápidamente el campo de ondas del tsunami en algún momento, luego use simulaciones de propagación de olas de tsunami para predecir cómo se desarrollan las olas a medida que se mueven hacia la tierra, proporcionando en última instancia pronósticos de la altura de las olas y la hora de llegada a la costa.

Yang:Nuestras previsiones comienzan a estabilizarse en unos minutos. Esto deja de 10 a 20 minutos para que las agencias gubernamentales emitan advertencias y los residentes evacuen.

Dunham:un método de asimilación de datos similar propuesto para su uso en el sistema de alerta de Japón, llamada interpolación óptima, ofrece predicciones similares, pero con menos precisión y coherencia en algunos casos. Las predicciones con ese método pueden fluctuar dependiendo de cuándo se realiza el pronóstico. Un pronóstico dirá, "La ola va a tener 10 pies de altura". Dos minutos después:"La ola tiene 3 pies de altura". Nuestro enfoque reduce estas fluctuaciones, particularmente cuando los sensores en alta mar están muy separados.

Los métodos de asimilación de datos son computacionalmente más costosos que los métodos tradicionales basados ​​en ondas sísmicas, pero brindan pronósticos que se vuelven cada vez más precisos con la asimilación continua de datos.

Se podrían utilizar métodos tradicionales basados ​​en la sísmica para emitir las primeras advertencias, y luego se podría usar un método como el nuestro para actualizar esos pronósticos. Los enfoques son complementarios.

La técnica de asimilación de datos que ha aplicado no es nueva. ¿Por qué no se ha aplicado antes este enfoque a los sistemas de alerta de tsunamis?

Dunham:esta nueva tecnología (sensores en alta mar conectados a tierra a través de un cable de fibra óptica) permite que los datos se transmitan en tiempo casi real a las computadoras donde se pueden procesar y utilizar en sistemas de alerta.

Estas redes de sensores son extremadamente caras de implementar y mantener, y los científicos e ingenieros están lidiando con complicaciones con los datos. Mareas corrientes, Los cambios de temperatura y salinidad pueden hacer que estos instrumentos le digan que hay un cambio en la presión o la altura de las olas cuando no lo hay. Pero siempre que tenga alguna estimación de la incertidumbre en los datos, entonces el método puede decirle cómo utilizar mejor esos datos.

Ha probado su método en una simulación de un tsunami, ya que probablemente se desarrollaría frente a la costa de Washington. Oregon y Columbia Británica. ¿Es un sistema que demuestra ser efectivo es probable que sea igualmente efectivo en California, Indonesia, ¿Japón o en cualquier otro lugar?

Yang:La física es la misma en todas partes, pero la mayoría de las regiones no tienen las matrices cableadas instaladas que permitirían implementar este método.

Dunham:Ahora mismo, Japón es el único país que ha decidido invertir en esta tecnología con fines de alerta temprana, probablemente porque tienen terremotos y tsunamis con tanta frecuencia y porque el evento de 2011 fue muy catastrófico.

¿Hay soluciones menos costosas en el horizonte?

Dunham:Existe una posibilidad intrigante de utilizar cables de fibra óptica existentes que cubren muchos fondos oceánicos. La mayoría de estos cables de fibra óptica no tienen sensores de presión de fondo, pero puede haber formas de medir el estiramiento inducido por las olas de estos cables para obtener potencialmente una estimación de la presión y la altura de las olas.

Yang:Otra posibilidad es utilizar estaciones GPS en barcos comerciales, que miden la altura del agua en un lugar determinado en el mar. Nuestro enfoque podría aplicarse a los datos de cualquiera de estas fuentes.

¿Por qué no utilizar el terremoto como advertencia?

Dunham:Ese es el enfoque recomendado en países sin instrumentación avanzada:si siente temblores fuertes y duraderos, llegar a terreno elevado. Pero si puede proporcionar previsiones más cuantitativas, muchas personas y agencias podrán utilizar esa información. Si está operando una planta nuclear con un malecón de cierta altura, podría importar si la ola va a tener 10 pies de altura o 12 pies de altura.

Yang:Durante el terremoto de Tōhoku, mucha gente se escapó a terrenos más altos, como el techo, pero no fueron lo suficientemente alto. Más tarde se tiraron del agua y se ahogaron. Una advertencia precisa les dirá exactamente qué tan alto deben llegar.