Em uma tarde de sexta-feira na primavera de 2011, o terremoto Tōhoku-Oki sacudiu o nordeste do Japão por seis minutos e deslocou a ilha principal do país em 2,5 metros. Minutos depois, moradores começaram a receber avisos de tsunami por meio da mídia de transmissão, telefones celulares e sirenes.

Mas os alertas iniciais subestimaram o tamanho das ondas e muitas pessoas não conseguiram evacuar para o solo alto o suficiente para escapar das ondas que varreram partes da costa - algumas em alturas de até 36 metros.

Assim que emergiu da catástrofe, O Japão instalou uma rede de sensores sísmicos e de pressão no fundo do oceano que elevou a barreira dos sistemas de alerta precoce de tsunami em todo o mundo. Agora, novas pesquisas de cientistas da Escola da Terra, Energy &Environmental Sciences (Stanford Earth) sugere como os avisos baseados em streaming de dados em tempo real de sensores como os do Japão poderiam ser mais precisos combinando-os com simulações de tsunami.

Publicado na revisão por pares Cartas de pesquisa geofísica , o estudo descreve um novo método projetado especificamente para alertas locais de tsunami. "Isso significa alertar os residentes da costa de que uma onda de tsunami gerada a 50 ou 100 milhas da costa está chegando nos próximos 20 a 30 minutos, "disse o autor sênior Eric Dunham, professor associado de geofísica na Stanford Earth.

Aqui, Dunham e o autor principal Yuyun Yang, estudante de doutorado no Instituto de Engenharia Matemática e Computacional de Stanford, discutir seu método e como no futuro ele pode até ser aplicado em locais sem sensores offshore dedicados, que atualmente são implantados apenas no Japão.

Como funcionam os sistemas de alerta de tsunami hoje?

Eric Dunham:Os atuais sistemas de alerta de tsunami começam com uma estimativa das propriedades do terremoto a partir de ondas sísmicas, em seguida, utilize relações pré-calculadas entre terremotos e os tsunamis que eles geram.

A maioria dos tsunamis é causada por um terremoto offshore que empurra o oceano para cima ou para baixo. À medida que a gravidade puxa a água de volta ao equilíbrio, nasce um tsunami. Mas os tsunamis também podem ser gerados de outras maneiras. Deslizamentos subaquáticos, que pode acompanhar um terremoto ou ocorrer de forma independente, são um exemplo clássico. Os sistemas de alerta tradicionais perdem completamente os tsunamis desses tipos de fontes.

Como o seu método é diferente?

Yuyun Yang:À medida que uma onda de tsunami atravessa o oceano, ele muda a pressão em toda a coluna d'água. Nosso método reconstrói a superfície do oceano e estima a altura das ondas com base na pressão detectada por sensores offshore conforme o tsunami passa.

Dunham:Yuyun descobriu como aplicar uma técnica de assimilação de dados, conhecido como filtro de conjunto Kalman, para reconstruir rapidamente o campo de ondas do tsunami em algum momento, em seguida, use simulações de propagação de ondas de tsunami para prever como as ondas se desenvolvem à medida que se movem em direção à terra, em última análise, fornecendo previsões da altura das ondas e tempo de chegada à costa.

Yang:Nossas previsões começam a se estabilizar em alguns minutos. Isso deixa de 10 a 20 minutos para as agências governamentais emitirem avisos e os residentes evacuarem.

Dunham:Um método de assimilação de dados semelhante proposto para uso no sistema de alerta do Japão, chamada de interpolação ótima, oferece previsões semelhantes, mas com menos precisão e consistência em alguns casos. As previsões com esse método podem flutuar dependendo de quando a previsão é feita. Uma previsão dirá, "A onda terá 3 metros de altura." Dois minutos depois:"A onda tem 3 pés de altura." Nossa abordagem reduz essas flutuações, particularmente quando os sensores offshore estão distantes.

Os métodos de assimilação de dados são mais caros computacionalmente do que os métodos tradicionais baseados em ondas sísmicas, mas eles fornecem previsões que se tornam cada vez mais precisas com a assimilação contínua de dados.

Métodos tradicionais baseados em sísmica podem ser usados ​​para emitir os primeiros avisos, e então um método como o nosso poderia ser usado para atualizar essas previsões. As abordagens são complementares.

A técnica de assimilação de dados que você aplicou não é nova. Por que essa abordagem não foi aplicada a sistemas de alerta de tsunami antes?

Dunham:esta nova tecnologia - sensores offshore conectados via cabo de fibra óptica à terra - permite que os dados sejam transmitidos em tempo quase real de volta para os computadores, onde podem ser processados ​​e usados ​​em sistemas de alerta.

Essas redes de sensores são extremamente caras para implantar e manter, e cientistas e engenheiros estão lutando com complicações com os dados. Marés, correntes, mudanças de temperatura e salinidade podem fazer com que esses instrumentos informem que há uma mudança na pressão ou altura da onda, quando não há. Mas, contanto que você tenha alguma estimativa da incerteza nos dados, então, o método pode lhe dizer como utilizar melhor esses dados.

Você testou seu método em uma simulação de um tsunami como provavelmente ocorreria na costa de Washington, Oregon e British Columbia. É um sistema que se mostra eficaz provavelmente será igualmente eficaz na Califórnia, Indonésia, Japão ou qualquer outro lugar?

Yang:A física é a mesma em todos os lugares, mas a maioria das regiões não tem as matrizes cabeadas instaladas que tornariam possível implementar este método.

Dunham:Neste momento, O Japão é o único país que decidiu investir nesta tecnologia para fins de alerta precoce, provavelmente porque eles têm terremotos e tsunamis com tanta frequência e porque o evento de 2011 foi muito catastrófico.

Existem soluções menos caras no horizonte?

Dunham:Existe uma possibilidade intrigante de utilizar cabos de fibra ótica existentes que cobrem muitos fundos oceânicos. A maioria desses cabos de fibra óptica não tem sensores de pressão inferior, mas pode haver maneiras de medir o alongamento induzido por ondas desses cabos para obter uma estimativa da pressão e da altura da onda.

Yang:Outra possibilidade é usar estações GPS em navios comerciais, que medem a altura da água em um determinado local no mar. Nossa abordagem poderia ser aplicada a dados de qualquer uma dessas fontes.

Por que não usar o próprio terremoto como um aviso?

Dunham:Essa é a abordagem recomendada em países sem instrumentação avançada:se você sentir um tremor forte e duradouro, chegar a um terreno alto. Mas se você pode fornecer mais previsões quantitativas, muitas pessoas e agências poderão usar essas informações. Se você estiver operando uma usina nuclear com um paredão de certa altura, pode fazer diferença se a onda vai ter 3 metros de altura ou 3 metros de altura.

Yang:Durante o terremoto Tōhoku, muitas pessoas escaparam para terras mais altas, como o telhado, mas eles não subiram o suficiente. Eles foram expulsos mais tarde e se afogaram. Um aviso preciso lhes dirá exatamente a que altura precisam ir.