يمكن لإشارات الجاذبية والذكاء الاصطناعي اكتشاف الزلازل الكبيرة بسرعة


الزلازل الهائلة لا تحرك الأرض فقط – إنها تجري تعديلات في سرعة الضوء على مجال الجاذبية الأرضية. الآن ، الباحثون أجهزة الكمبيوتر المدربة على التعرف على إشارات الجاذبية الدقيقة هذه، مما يوضح كيف يمكن استخدام الإشارات لتحديد موقع وحجم الزلزال القوي بشكل فوري تقريبًا.

أفاد العلماء في 11 مايو ، أن هذه الخطوة الأولى لإنشاء نظام إنذار مبكر جدًا لأقوى الزلازل على كوكب الأرض طبيعة سجية.

يمكن لمثل هذا النظام أن يساعد في حل مشكلة شائكة في علم الزلازل: كيف يمكن تحديد الحجم الحقيقي لزلزال هائل فور حدوثه ، كما تقول أندريا ليسياردي ، عالمة الجيوفيزياء بجامعة كوت دازور في نيس بفرنسا. بدون هذه القدرة ، سيكون من الصعب جدًا إصدار تحذيرات المخاطر بسرعة وفعالية والتي يمكن أن تنقذ الأرواح.

مع تمزق الزلازل الكبيرة ، يرسل الاهتزاز والارتجاف موجات زلزالية عبر الأرض تظهر على شكل اهتزازات كبيرة على أجهزة قياس الزلازل. ولكن من المعروف أن طرق الكشف الحالية القائمة على الموجات الزلزالية تواجه صعوبة في التمييز بين ، على سبيل المثال ، زلزال بقوة 7.5 و 9 على مقياس ريختر في الثواني القليلة التالية لمثل هذا الحدث.

ذلك لأن التقديرات الأولية للحجم تستند إلى ارتفاع الموجات الزلزالية التي تسمى موجات P ، وهي أول ما يصل إلى محطات المراقبة. ومع ذلك ، بالنسبة إلى أقوى الزلازل ، فإن سعات الموجة P الأولية تصل إلى أقصى حد ، مما يجعل من الصعب التمييز بين الزلازل بمقادير مختلفة.

لكن الموجات الزلزالية ليست أولى علامات الزلزال. كل هذه الكتلة التي تتحرك في زلزال كبير تغير أيضًا كثافة الصخور في مواقع مختلفة. تُترجم هذه التحولات في الكثافة إلى تغييرات طفيفة في مجال الجاذبية الأرضية ، مما ينتج عنه موجات “الجاذبية المرنة” التي تنتقل عبر الأرض بسرعة الضوء – حتى أسرع من الموجات الزلزالية.

كان يُعتقد في يوم من الأيام أن مثل هذه الإشارات صغيرة جدًا بحيث لا يمكن اكتشافها ، كما يقول عالم الزلازل مارتن فالي من معهد الفيزياء في العالم بباريس ، والذي لم يشارك في الدراسة الجديدة. ثم في عام 2017 ، كان فالي وزملاؤه كذلك أول من أبلغ عن رؤية إشارات الجاذبية المرنة هذه في بيانات المحطة الزلزالية. أثبتت هذه النتائج أن “لديك نافذة بين بداية الزلزال والوقت الذي تتلقى فيه [seismic] موجات ، “يقول فالي.

لكن الباحثين ما زالوا يفكرون في كيفية تحويل إشارات الجاذبية المرنة هذه إلى نظام إنذار مبكر فعال. نظرًا لأن تذبذبات الجاذبية صغيرة ، فمن الصعب تمييزها عن ضوضاء الخلفية في البيانات الزلزالية. عندما نظر العلماء بأثر رجعي ، وجدوا أن ستة زلازل ضخمة فقط في الثلاثين عامًا الماضية قد ولّدت إشارات الجاذبية المرنة التي يمكن تحديدها ، بما في ذلك قوتها 9 زلزال توهوكو أوكي في عام 2011 أنتج تسونامي مدمر أغرق محطتين للطاقة النووية في فوكوشيما ، اليابان (SN: 3/16/11). (كان التقدير الأولي المستند إلى الموجة AP لحجم ذلك الزلزال 7.9.)

هذا هو المكان الذي يمكن أن تدخل فيه أجهزة الكمبيوتر ، كما يقول Licciardi. أنشأ هو وزملاؤه شبكة PEGSNet ، وهي شبكة للتعلم الآلي مصممة لتحديد “إشارات ElastoGravity الفورية”. قام الباحثون بتدريب الآلات على مجموعة من البيانات الزلزالية الحقيقية التي تم جمعها في اليابان و 500000 إشارة جاذبية محاكاة للزلازل في نفس المنطقة. يقول Licciardi إن بيانات الجاذبية التركيبية ضرورية للتدريب ، لأن البيانات الحقيقية شحيحة جدًا ، ويتطلب نموذج التعلم الآلي مدخلات كافية للتمكن من العثور على أنماط في البيانات.

بمجرد التدريب ، تم اختبار أجهزة الكمبيوتر بعد ذلك: تتبع أصل وتطور زلزال توهوكو عام 2011 كما لو كان يحدث في الوقت الفعلي. يقول ليسياردي إن النتيجة كانت واعدة. كانت الخوارزمية قادرة على التحديد الدقيق لحجم وموقع الزلزال قبل خمس إلى 10 ثوانٍ من الطرق الأخرى.

يقول Licciardi إن هذه الدراسة هي إثبات للمفهوم ونأمل أن تكون الأساس لنموذج أولي لنظام الإنذار المبكر. “في الوقت الحالي ، إنه مصمم للعمل … في اليابان. نريد أن نبني شيئًا يمكنه العمل في مناطق أخرى “معروفة بالزلازل القوية ، بما في ذلك تشيلي وألاسكا. في النهاية ، الأمل هو بناء نظام واحد يمكنه العمل على مستوى العالم.

تظهر النتائج أن PEGSNet لديها القدرة على أن تكون أداة قوية لتحذيرات الزلازل المبكرة ، لا سيما عند استخدامها جنبًا إلى جنب مع أدوات الكشف عن الزلازل الأخرى ، كما يقول فالي.

لا يزال هناك المزيد من العمل الذي يتعين القيام به. لسبب واحد ، تم تدريب الخوارزمية للبحث عن نقطة واحدة لأصل الزلزال ، وهو تقدير تقريبي معقول إذا كنت بعيدًا. لكن عن قرب ، أصل الزلزال لم يعد يبدو كنقطة ، إنها في الواقع منطقة أكبر تمزقت. إذا أراد العلماء تقديرًا دقيقًا لمكان حدوث التمزق في المستقبل ، فإن الآلات تحتاج إلى البحث عن المناطق ، وليس النقاط ، كما يضيف فالي.

يمكن أن يحدث تقدم أكبر في المستقبل حيث يطور الباحثون أدوات أكثر حساسية بكثير يمكنها اكتشاف حتى أصغر الاضطرابات التي تسبب الزلازل في مجال الجاذبية الأرضية مع تصفية المصادر الأخرى للضوضاء الخلفية التي قد تحجب الإشارات. يقول فالي إن الأرض هي بيئة صاخبة للغاية ، من محيطاتها إلى غلافها الجوي.

يقول فالي: “إنه يشبه إلى حد ما التحدي الذي يواجهه الفيزيائيون عندما يحاولون مراقبة موجات الجاذبية”. هؤلاء تموجات في الزمكان ، ناجمة عن الاصطدامات الكونية الهائلة، هي نوع مختلف جدًا من الموجات التي تحركها الجاذبية (SN: 2/11/16). لكن إشارات الموجات الثقالية تتضاءل أيضًا بسبب ضجيج الأرض – في هذه الحالة ، ميكروتريمورز في الأرض.



المصدر

ندى عبدالرحمن
مهتمة في العلوم والفضاء خاصةً محبة للتقنية اعمل كاتبة في موقع اراود