S tehnologijo nad potrese

Čeprav potresov ne moremo napovedovati, mobilni telefoni sekunde pred uničujočim potresom v nekaterih državah zapiskajo. Za preprostim sporočilom, ki lahko reši življenje, pa stoji več milijonov dolarjev vreden sistem mreže opazovalnic. Podobne sisteme imajo v ZDA, na Japonskem, Kitajskem, v Mehiki in drugod. Evropa za zdaj še zaostaja.

Pred dobrima dvema mesecema, 20. decembra lani, so prebivalci Kalifornije na telefone prejeli nujno obvestilo, da bo vsak hip potres. Še preden so nekateri prebrali obvestilo do konca, se je streslo. Drugi so imeli več kot deset sekund časa, da se pripravijo.

Ferndale je prizadel potres z magnitudo 6,4, ki so ga čutili v večjem delu Kalifornije in tudi bližnjih zveznih državah. Neposredno zaradi njegovih posledic ni umrl nihče in tudi poškodovanih je bilo le 17 ljudi. Koliko je k temu prispevalo zgodnje opozorilo, lahko sicer le ugibamo, saj se je potres zgodil ob 2:34 po lokalnem času, ko ljudje večinoma spijo. A to ni bil prvi tovrstni primer, ko je tehnologija prebivalce opozorila na neizogibno.

V nekaterih primerih prejmejo ljudje opozorilo celo pol minute pred tresenjem tal, kar je že dovolj za ukrepanje, ki lahko prepreči smrtne žrtve ali poškodbe. Stopiti je mogoče iz dvigala, se umakniti izpostavljenim predmetom na višini, včasih zapustiti zgradbo, ustaviti vozilo itd. Čeprav je sistem zaživel šele pred dobrimi štirimi leti, so se prebivalci ameriške zahodne obale nanj tako navadili, da se malokdo vpraša, kako ta tehnični čudež sploh deluje. Potresi so še vedno nenapovedljivi pojavi, a telefoni zapiskajo sekunde pred potresom. Kako je to mogoče?

Sistem za opozarjanje na potresne sunke ShakeAlert je eden tistih sistemov, ki preseneti dvakrat. Najprej fizika v ozadju, ki nato ob premisleku deluje tako zelo logično, da se vprašamo, zakaj česa takega niso postavili že pred desetletji. Nato pa ugotovimo, da je kljub preprostemu konceptu tehnološka izvedba sistema morda še impresivnejša. Hitrost in zanesljivost sta ključni postavki.

Zamisel se rodi

Ameriška Agencija za geologijo (USGS) je leta 2006 začela razvoj smelega projekta, ki se je udejanjil 12 let pozneje. Ameriška zahodna obala leži na tektonski prelomnici, ki se vije okrog Pacifika, kar imenujemo tudi ognjeni obroč. Pacifiška tektonska plošča se na zahodni obali tare in podriva pod kontinentalno ploščo, kar proži potrese. Čeprav ni moč napovedati, kdaj se bo streslo, je gotova napoved, da se bo treslo, kot se je že v preteklosti. Kalifornija je v preteklih stoletjih že doživela hude potrese, denimo leta 1906 v San Franciscu. USGS je zato želel razviti sistem, ki bi prebivalce lahko opozoril vsaj na neizbežen potres čez nekaj sekund.

Kako potujejo potresni valovi

Večina potresov na Zemlji je tektonskega izvora, saj jih proži gibanje tektonskih plošč, ki se lahko narivajo druge na drugo, tarejo, zagozdijo itd. Nenadno nihanje tal, ki je posledica lomov v zemeljski skorji, se na površju kaže kot potres. Ta ni enkraten premik, temveč nastane nihanje, ki se širi v obliki valov.

Pri potresu se širijo vzdolžni oziroma longitudinalni valovi (P) in prečni oziroma transverzalni valovi (S). Hitrost širjenja valov je vedno odvisna od medija, po katerem potujejo, kar se uporablja tudi za analizo sestave Zemlje. Hkrati pa so valovi P približno 70 odstotkov hitrejši od valov S, saj potujejo s hitrostjo približno pet kilometrov na sekundo. To v praksi pomeni, da že na oddaljenosti osem kilometrov od epicentra valovi S zaostajajo sekundo.

Pri longitudinalnih valovih – tak primer je tudi zvok v zraku – delci nihajo v smeri potovanja valovanja. Gibljejo se torej razredčine in zgoščenine. Transverzalni valovi, kot so tudi na morski gladini, pa predstavljajo gibanje delcev prečno na smer valovanja. Potresni valovi S sicer ne morejo potovati po tekočinah, ker te ne prenašajo strižnih sil, zato v zunanjem jedru planeta ne potujejo.

Valovi P in S so prostorski valovi, ker potujejo skozi Zemljino skorjo. Zadnji pa na cilj pripotujejo različni površinski valovi, ki imajo običajno največjo amplitudo, ker se širijo le po površini.

Vrste potresnih valov, ki sledijo potresu. Slika: ARSO

Pri potresih nastane več različnih vrst valov, ki potujejo z različno hitrostjo (več v okvirju). Primarni valovi (P) so hitrejši od sekundarnih (S), a manj rušilni. To je dobrodošla lastnost, ki koristi zlasti na zmerni oddaljenosti. Tik nad žariščem potresa to dejstvo ne koristi, ker oboji valovi udarijo praktično istočasno. Zelo daleč od žarišča, več sto ali tisoč kilometrov, so valovi že tako šibki, da kakšne resne škode ne morejo povzročiti. Na vmesnih razdaljah je nevarnost še vedno velika, hkrati pa je razlika v potovalnem času obeh vrst valovanja zadostna, da imamo tudi nekaj deset sekund časa za ukrepanje. Na vsakih 8–10 kilometrov od žarišča se zakasnitev poveča za eno sekundo.

Za natančen izračun, kdaj bodo pripotovali valovi S, je treba poznati lokacijo nadžarišča potresa in geološko sestavo tal. Prvo izračunamo iz podatkov več seizmografov, kjer je bil zamik različen, saj so njihove lokacije znane. Tudi geološka sestava tal je že dobro poznana. A v resnici je to za geologe pomembno, za prebivalstvo pa sploh ne. Ne zanima nas, ali bo potres sledil čez 12 ali 24 sekund, temveč je koristna informacija, da bo tu zdaj zdaj.

Prva zamisel o sistemu za opozarjanje na potrese (EEW) ima še bistveno daljšo brado. Že davnega leta 1868, ko je dotlej najmočnejši zabeleženi potres stresel San Francisco, so v tamkajšnjem časniku pisali o takšnem sistemu. Seizmometri bi bili povezani s telegrafskim omrežjem, ki je ob zaznanem potresu oddajalo značilen zvok. Prvi EEW so postavili Japonci na drugi strani ognjenega obroča, leta 1993 pa so jim sledili Mehičani (SASMEX). V Evropi imajo nekoliko bolj omejene sisteme v Italiji in Romuniji, Američani pa so doslej najobsežnejšega začeli graditi leta 2006. Prvi poskusi sicer segajo v leto 1989, ko so postavili improviziran EEW, ki je v šestih mesecih delovanja uspešno opozoril na vseh 12 potresov v tistem času.

ShakeAlert se razvije

Današnji sistem, ki ga poznamo kot ShakeAlert, so razvijali na univerzah Berkeley, Caltech in ETH Zürich. Razvoju tehnologije v prvih treh letih je sledilo še eno triletno financiranje, ki se je leta 2012 končalo z uspešnim beta testom, ko so poslali prva opozorila. Še istega leta je upravljavec javnega prevoza v San Franciscu začel uporabljati ShakeAlert za upočasnitev vlakov pred potresom. Uporabnost sistema je prepoznal tudi zakonodajalec, ki je začel intenzivno financirati gradnjo opazovalnic. Leta 2017 so sistem že testirali v zaprti beta različici, za katero so zunanji razvijalci pisali aplikacije, ki bi v praksi prikazale opozorila. Prve javne različice so bile v Kaliforniji dostopne konec leta 2018, čeprav sistem še ni bil dokončan. Oregon in Washington sta se priključila leta 2021.

Koliko to stane

Pogon obsežnega sistema, kakršen je ShakeAlert, ni poceni. Čeprav vseh stroškov opazovalnic ne moremo naprtiti le temu sistemu, USGS stroške postavitve sistema ocenjuje na 60 milijonov dolarjev, obratovanje in vzdrževanje pa na 30 milijonov dolarjev letno. A po drugi strani potresi v ZDA povprečno povzročijo šest milijard dolarjev škode na leto, od tega več kot polovico v državah, ki jih pokriva ShakeAlert.

Večine škode seveda ShakeAlert ne more preprečiti, a že leta 2016 so izračunali, da bi zgolj preprečitev treh smrtnih žrtev, odstotek manj poškodb, pravočasno opozorilo dvema proizvajalcema čipov, en zaustavljen vlak in 0,25 odstotka manj škode zaradi požarov ob pretrganju plinskih napeljav več kot odtehtali enoletno delovanje sistema.

Danes je ShakeAlert delujoč v vseh treh ameriških pacifiških zveznih državah (Washington, Oregon, Kalifornija). Ključni del sistema je infrastruktura, ki potres zazna in to informacijo prenese hitreje, kot potujejo potresni valovi (okrog pet kilometrov na sekundo). Sestavljajo jo sistemi za ustvarjanje opozorila, podporne storitve, sistem za prenos opozorila in aplikacija pri uporabniku.

Sistemi za ustvarjanje opozorila morajo najprej ugotoviti, da se je potres zgodil, zato vsebujejo omrežje senzorjev, v katerih so seizmični in geodetski senzorji (prvi merijo premikanje tal, hitrost in pospešek z utežmi; drugi z uporabo GPS merijo spremembo lastnega položaja), komunikacijski sistem za hitro povezavo senzorjev z regionalnimi centri, centre za obdelavo podatkov, algoritme za analizo podatkov (ki odfiltrirajo lažne dogodke in šum) in pravila za posredovanje pozitivnih signalov.

Opazovalnice iz zakasnitve valov S izračunajo oddaljenost od epicentra, iz podatkov več opazovalnic pa lahko izračunamo njegovo točno lokacijo. Slika: ARSO

Podporne storitve so preizkušanje in nadzor, razvoj in nadgrajevanje ter vzdrževanje. Sistemi za prenos opozoril vsebujejo hitre povezave do agencij in podjetij, ki opozorila dejansko posredujejo javnosti. Nezanemarljiv pomen imajo tudi izobraževanje, osveščanje in vaje, saj se morajo ljudje pravilno odzvati.

Sistem deluje

ShakeAlert v končni različici sestavlja 1.675 seizmoloških postaj, ki so v urbanih območjih medsebojno oddaljene 10 kilometrov, na podeželju pa 20–40 kilometrov. Razmeščene niso naključno, temveč so jih zgradili, kjer jih je študija iz leta 2013 ocenila kot najkoristnejše. To med drugim zahteva, da so postaje tudi največ pet kilometrov od znanih prelomnic. Vse to so razlogi, da niso razmeščene kakor po šahovnici, temveč ponekod bolj zgoščeno kot drugod, a še vedno pokrivajo celotno Kalifornijo, Oregon in Washington. Gre za postaje dveh različnih omrežij (CISN – California Integrated Seismic Network in PNSN – Pacific Northwest Seismic Network), ki pa med seboj sodelujeta in komunicirata.

Primarna sporočila sistema ShakeAlert ob simuliranem potresu. Slika: USGS

Že pred gradnjo ShakeAlerta so nekatere postaje obstajale, a so bile zastarele in neprimerne. Močni potresi so jih zmedli, občutljive so bile na motnje, podatke so analizirale in pošiljanje prepočasi. Na vsakem omrežju obstajajo seizmološke postaje dveh vrst. Vse so sposobne zaznati največje pospeške, približno četrtina pa je opremljena tudi s finimi instrumenti, ki zaznavajo šibke potrese. Te morajo biti postavljene na odprtem, daleč od človeških motenj. Na koncu vse podatke agregirajo algoritmi, ki izračunajo, ali in kje se je zgodilo, kar pa morajo storiti zelo hitro.

Geodetski senzorji niso tako zelo pomembni za določitev lokacije potresa, so pa koristni pri zelo močnih potresih, ki presegajo amplitudo sedem. Tedaj omogočajo natančnejše ocene vrste in jakosti potresa. Skupno je geodetskih postaj v sistemu skoraj 500.

Komunikacijski sistemi oziroma telemetrija skrbijo, da se podatki v opazovalnicah beležijo, nato pa prenašajo hitro in zanesljivo. To ni tako zelo samoumevno, saj mora sistem delovati tudi v izrednih razmerah, predvsem pa ne sme imeti nepričakovanih zakasnitev.

Centri za obdelavo podatkov so v Seattlu, Menlo Parku, Berkeleyju in Pasadeni. Sestavljajo jih trije nivoji. Na prvem se uvozijo surovi podatki o gibanju in pospeških tal, kar je del rutinskih seizmoloških opazovanj. Na drugem ShakeAlert podatke analizira v realnem času z uporabo algoritmov, o čemer več v nadaljevanju. Na koncu zadnji nivo oceni, ali bo treba izdati opozorilo. Komunikacija poteka z uporabo Apache ActiveMQ.

Pri tem je ključno, da so sistemi robustni. To pomeni, da morajo delovati ob močnih potresnih sunkih, ob izgubi zunanjega napajanja in prekinjenih komercialnih telekomunikacijskih povezavah. Zadnje dosegajo z uporabo več tehnologij hkrati, od komercialnih optičnih povezav do mikrovalovnih in radijskih povezav, pa tudi satelitskih (ki so počasne).

Shema delovanja sistema ShakeAlert. Slika: USGS

Ko ShakeAlert zazna potres, o tem s potisnim sporočilom na pametnih telefonih obvesti prebivalstvo. A to je v resnici le drobec vsega dogajanja. Hkrati stečejo tudi avtomatski odzivi, kot so odpiranje ali odklepanje požarnih vrat, zaustavitev težkih prevoznih sredstev (vlakov, dvigal) in podobnih (žerjavi), prekinitev dotoka plina in vode. Ljudje se tedaj zaščitijo, kolikor se je mogoče. V proizvodnih obratih, na gradbiščih in podobno se lahko umaknejo na varno. Na javnih mestih, denimo v kinematografih, lahko predčasno obvestilo prepreči paniko. Doma nam namigne, naj se skrijemo pod mizo ali stečemo na prosto.

Algoritmi

Doslej smo zaznavanje potresov predstavljali kot preprosto operacijo, ki iz razmika med časom potovanja valov P in S izračuna oddaljenost seizmografa do žarišča, nato pa iz več seizmografov še lokacijo žarišča. Konceptualno to drži, seveda pa so algoritmi precej bolj zapleteni, ker je merilnih postaj več, ker upoštevajo možnost lažnih signalov, motenj in šuma ter ker morajo izračunati še magnitudo in druge podatke za oceno, ali tresenje tal predstavlja razlog za izdajo opozorila. Potresov je namreč veliko, a je večina prešibkih, da bi jih ljudje sploh zaznali.

Za ShakeAlert so sprva razvili tri algoritme: ElarmS, Onsite in Virtual Seismologist. ElarmS (Earthquake Alarms Systems) je nastal na Berkeleyju in je namenjen zaznavanju začetka potresa, oceni magnitude in lokacije, napovedi največjega premika tal in izdaji opozorila za območja, kjer bo premik tal velik. ElarmS že sekundo po sprožitvi senzorjev zaradi valov P oceni magnitudo, nato pa vsako sekundo oceno posodobi. Za spodobno oceno potrebuje 1–4 sekunde meritev valov P, in sicer meri dva parametra: glavno frekvenco (oziroma periodo) in največjo amplitudo. Epicenter se izračuna iz podatkov vsaj treh merilnih postaj. Algoritem za zaznavanje potresov uporablja Butterworthov filter z mejno frekvenco 0,075 Hz.

Onsite je algoritem, ki potrebuje zgolj podatke z enega merilnega mesta, zato omogoča hitrejše zaznavanje potresov, a je hkrati manj zanesljiv. Iz periode in amplitude oceni magnitudo potresa, testi pa kažejo, da lahko en potres sproži več opozoril, ki postajajo čedalje manj točna. Po drugi strani lahko šum iz okolice ali motnje povzročijo lažna opozorila, kar se je leta 2015 v Kaliforniji zgodilo sedemkrat. Zaradi tega so Onsite že leta 2018 prenehali uporabljati.

Brez seizmografov

Opozarjanje na potrese deluje, kjer je vzpostavljen obsežen sistem opazovalnic in druge infrastrukture. Google pa je že pred leti začel razvijati sistem, ki ne potrebuje nič od naštetega, temveč uporablja kar telefone. Moderni pametni telefoni imajo namreč vgrajene pospeškomere, ki seveda zaznajo tudi potres. Velika večina premetavanja pa ni potres, zato telefon ne more ugotoviti, kdaj gre za potres. Ve pa to Google, saj bo potres na enak način zaznalo veliko telefonov na istem mestu, bolj oddaljeni pa s predvidljivo zakasnitvijo.

Leta 2021 je Google zagnal Android Earthquake Alerts System za uporabnike na Novi Zelandiji in v Grčiji. Tak sistem ne potrebuje nič drugega kot telefone z delujočo internetno povezavo, na katere so uporabniki namestili ustrezno aplikacijo.

Google je dejal, da so doslej na tak način zaznali že več kot tisoč potresov. Sistemu gre precej bolje v Grčiji, ki je gosteje poseljena, medtem ko so na Novi Zelandiji ljudje skoncentrirani v le nekaj večjih mestih. Druga težava so potresi z epicentrom na morju, ki jih na ta način ni mogoče zaznati pred cunamiji, ker na morju pač ni veliko telefonov. Tak sistem ne bo nikoli nadomestil profesionalnih seizmoloških opazovalnic, lahko pa predstavlja dodaten vir podatkov.

Podobno velja za Virtual Seismologist, ki so ga prečrtali že leta 2016, ko je bil ShakeAlert še v obliki prototipa. Uporabljal je meritve pospeška, hitrosti in amplitude premikanja tal, ki jih je z Bayesovo statistiko preračunal v verjetnost za potres. Upošteval je še druge spremenljivke, denimo pretekle potrese, topologijo razmestitve seizmoloških opazovalnic itd. Skratka, poskušal se je vesti kot človek, a hitreje. Ni mu uspelo in predvsem zaradi počasnosti je bil še pred začetkom delovanja ShakeAlerta upokojen. Vsi trije algoritmi so dali le točkovno informacijo, torej kdaj in kje se je potres zgodil, ne pa tudi smeri preloma.

Današnji ShakeAlert 2.0 uporablja dva novejša algoritma. EPIC (Earthquake Point-Source Integrated Code) je zelo podoben kot ElarmS, ki je bil najboljši med tremi algoritmi originalnega ShakeAlerta, FinDer (Finite-Fault Rupture Detector) pa nudi še nekaj več informacij. FinDer nima težav z zelo močnimi potresi, ki ElarmS zmedejo. Vsak trenutek uporablja meritve vseh postaj v zadnjih 120 sekundah, nato pa ob potresu poleg njegove lokacije oceni tudi dolžino in smer preloma tektonskih plošč. Njegova glavna težava je nenatančno poročanje o magnitudi, sicer pa je sposoben zaznavati že potrese, ki povzročajo pospešek tal 0,002g.

Podatki iz EPIC in FinDerja se pošljejo v algoritem SA (Solution Aggregator), ki združi vse podatke. Te nato dobi algoritem eqInfo2GM, ki oceni posledice izmerjenega potresa. DM (Decision Module), ki zaradi redundance teče na šestih strežnikih, uporabi njegove podatke, da oceni, ali je treba izdati opozorilo. Vse to se mora zgoditi v nekaj sekundah, da je opozorilo pravočasno. Obstajajo tudi algoritmi za geodetske postaje (BEFORES, G-FAST in G-larmS), ki jih sproži opozorilo ShakeAlert (in ne samo tresenje tal) in nato omogočajo natančnejšo analizo potresa.

Seizmološka opazovalnica, ki sodeluje v ShakeAlertu. Slika: USGS

Na koncu ShakeAlert pripravi tri primarna sporočila: o žarišču in magnitudi potresa, o intenziteti na posameznih območjih in zemljevide z amplitudo hitrosti ter pospeška. Sekundarna ali izvedena sporočila so obvestila prek vmesnika IPAWS-OPEN (Integrated Public Alert and Warning System Open Platform for Emergency Network), od koder potujejo do javnosti prek različnih medijev, in sporočila v mednarodnem formatu QuakeML. Po dogodku sledi še sporočilo, ki potrdi potres, razglasi lažni ali zamujeni alarm (če ShakeAlert potresa ni napovedal).

Aplikacije

Za končnega uporabnika je najpomembnejši in najvidnejši del sistema aplikacija za obveščanje, ki mu zapiska na telefonu. Zanimivo je, da USGS teh sporočil ne pošilja sam, temveč se zanaša na zunanje partnerje, da jih dostavijo, ko jih zaznajo v IPAWS-OPEN. Na Berkeleyju so razvili aplikacijo MyShake, Early Warning Labs, LLC ponuja svoj QuakeAlertUSA, oblasti v San Diegu pa svojo ShakeReadySD. Leta 2020 je Google podporo za sistem dodal neposredno v Android. Informacije ShakeAlerta se prenašajo tudi po ločenem sistemu Wireless Emergency Alerts (WEA), ki se v ZDA uporablja za pošiljanje kratkih sporočil o nevarnostih (ali pogrešanih otrocih) na vse telefone v dosegu bazne postaje, če podpirajo WEA. Aplikacije opozarjajo na potrese z magnitudo vsaj 4,5, WEA pa vsaj 5,0.

Primer sporočila o neizbežnem potresu. Slika: USGS

Pri tem velja omeniti, da ShakeAlert ni vezan le na aplikacije za pametne telefone. Ko sistem ugotovi, da poteka aktiven potres, lahko obveščanje steče tudi po drugih medijih, denimo s sredstvi javnega obveščanja, sirenami in podobno. Zaradi načina življenja pa je obvestilo na pametnem telefonu najkoristnejše za splošno javnost, ker bo z največjo verjetnosti pravočasno prebrano. Upravljavci infrastrukture imajo svoje povezave.

Evropa zaostaja

Na koncu se vprašamo, ali imamo kaj podobnega tudi pri nas. Navsezadnje potresnih opazovalnic ne manjka, po vsakem tresenju tal pa dobimo zelo natančne informacije o magnitudi in lokaciji potresa. A za nazaj. Čeprav tudi dobršen del Evrope leži na potresno zelo aktivnem območju, zlasti Italija, Balkan in Alpe, enotnega sistema za zgodnje opozarjanje na potrese nimamo. Center za geološke raziskave v Leipzigu je v letih 2006–2009 koordiniral velik evropski projekt, ki je proučeval možnost vzpostavitve takšnega sistema, a realizacije ni. Najbolj dodelan sistem v naši okolici imajo v Turčiji, pa tudi romunski je precej soliden.

Evropsko-sredozemski seizmološki center (EMSC) sicer ponuja aplikacijo LastQuake, a je njen namen drugačen. V njej z zamudo nekaj minut ali ur vidimo potrese, ki so se že zgodili, na kar lahko dodamo komentarje, kje in kako smo jih čutili. Podatke pridobi iz približno 70 seizmoloških mrež v Sredozemlju, ki imajo skupaj dobrih 2.500 opazovalnic. Podatke o potresih drugod po svetu dobi od partnerjev. Aplikacija je predvsem informativna, saj omogoča spremljanje dogodkov za nazaj, ShakeAlertu pa ni niti podobna. Tudi sistem ENS (Earthquake Notification Service), ki ga ponuja EMSC, o potresih obvešča šele 10–20 minut po dogodku.