Emberéletek ezrei múlhatnak ezeken a másodperceken

2019.03.25. 18:26

A földrengések kipattanása zavart kelt a gravitációs mezőben, s ez a zavar messze a rengést megelőzve, fénysebességgel terjed tova. Erre alapozva japán tudósok korai riasztórendszert szeretnének kidolgozni.

A földrengések minden évben áldozatok százait, akár ezreit követelik világszerte. Ha a pusztító lökéshullámok megérkezte előtt még épp időben jönne a figyelmeztetés – és ilyenkor másodpercek dönthetnek élet és halál között –, az emberek biztonságos helyre húzódhatnának.

A Tokiói Egyetem kutatói most egy olyan új földrengés-detektáló módszert mutattak be, amely a rengés frontvonala előtt haladó gravitációs jelek érzékelésén alapul. A jelenség alaposabb megismerése és kihasználása olyan előrejelző rendszerek kiépítését teheti lehetővé, amelyek potenciális áldozatok sokaságát menthetik meg a biztos haláltól.

Romba dőlt épületek a Tohoku tartományt sújtó 2011-es földrengés és szökőár utánForrás: Image Source/Image Source/Junku Nishimura/Junku Nishimura

A Japán keleti részét sújtó 2011-es tohokui földrengés traumája még élénken él a helyiek emlékezetében. A rengés elképzelhetetlen rombolást vitt végbe, ugyanakkor a tudósok hatalmas mennyiségű szeizmikus és egyéb adatot tudtak gyűjteni a kataklizma lefolyásáról; annyit, hogy a kutatók még most, évekkel később is az akkor felhalmozott mérési eredményeket használják a szeizmikus modellek javításához, és keresik az adatok olyan új alkalmazásait, amelyekkel a jövőben segíthetnek az embereknek. A Tokiói Egyetem Földrengéskutató Központjának (Earthquake Research Institute, ERI) munkatársai olyasmire bukkantak az adattömeg elemzése során, ami előmozdítja a terület kutatását, és egykor talán életeket is menthet majd.

Az egész úgy indult, hogy Shingo Watada, az ERI tanára egy teljesen más témába vágó, de izgalmasnak tűnő fizikai szakcikket olvasott az olasz Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Nemzeti Magfizikai Intézet) kutatója, J. Harms tollából. A cikk egyebek közt arra a következtetésre jut, hogy graviméterek – a helyi gravitáció erősségét mérő berendezések – segítségével elvben lehetséges kimutatni a földrengéseket. „Ez szöget ütött a fejembe – meséli Watada. – Ha rendelkeznénk elég szeizmikus és gravitációs mérési adattal, amit egy nagy földrengés helyén és idejében rögzítettek, megtanulhatnánk, hogyan detektáljuk a földrengést nemcsak a szeizmométerek, de a graviméterek segítségével is. Ez fontos eszköz lehet a szeizmikus jelenségek jövőbeni kutatásához.

Eltűnt személyekre utaló nyomokat keresnek a rendőrök a 2011-es tohokui földrengés utánForrás: The Yomiuri Shimbun/Yomiuri/Keita Iijima

Az ötlet lényege a következő. Egy földrengés akkor pattan ki, amikor a Föld felszínét alkotó tektonikus lemezek egymásnak feszülő szélein egy pont hirtelen elmozdul. Az elmozdulás szeizmikus hullámokat kelt, amelyek másodpercenként 6-8 kilométeres sebességgel terjednek szét az epicentrumból. A hullámok hatalmas energiát szállítanak a lemezek anyagában, és amint áthaladnak a felszín alatti kőzeteken, hirtelen megváltoztatják azok sűrűségét. Mivel a sűrűbb anyag erősebb gravitációs vonzást fejt ki, mint a kevésbé sűrű, a terjedő hullám egyben a helyi gravitáció szerkezetét is átrendezi. S miután a gravitáció zavarai – a viszonylag lassan haladó szeizmikus hullámokkal ellentétben – fénysebességgel terjednek, a megfelelő érzékenységű graviméterek pályahosszal a mechanikai lökéshullámok érkezése előtt ki tudják mutatni a közeledő veszélyt.

„Első alkalommal mutattuk meg, hogy ez a módszer alkalmas a földrengések keltette jelek egyértelmű érzékelésére. Mások is próbálkoztak már, de nem fogtak megbízható jeleket – ismertette Masaya Kimura, az ERI doktorandusza. – A mi megközelítésünk annyiban egyedi, hogy a 2011-es földrengés alatt működő szenzorok szélesebb körét vontuk be a vizsgálatba. Speciális jelfeldolgozó módszereket alkalmaztunk továbbá ahhoz, hogy kihalásszuk a zajos adatokból a gyenge gravitációs jeleket.

Földrengési gyakorlat egy japán általános iskolábanForrás: The Yomiuri Shimbun/Yomiuri/Makoto Kondo

Mivel Japán híres arról, hogy a Föld szeizmikusan legaktívabb területeinek egyike, nem csoda, hogy az ország szárazföldi és tengeri régióit egyaránt lefedő kiterjedt rengésérzékelő műszerhálózattal rendelkezik. A kutatók egyrészt ennek az egész országra kiterjedő hálózatnak a mérési adatait, másrészt a közép-japán Gifu prefektúrabeli Kamioka és a Nagano prefektúrabeli Matsushiro szupravezető gravimétereinek adatait használták fel.

A csoport által elvégzett elemzés rendkívül megbízható: pontosságának mértéke tudományos terminológiával élve 7 szigmás, ami azt jelenti, hogy a tévedés esélye egy az ezermilliárdhoz. A precizitásnak és megbízhatóságnak ez a foka könnyen meggyőzi majd a szakmát a módszer alkalmazhatóságáról, és alkalmassá teszi az eljárást a jövőbeni, kimondottan a földrengésérzékelés céljából épített műszerek kalibrálására. A Tokiói Egyetem fizika tanszékének munkatársa, Masaki Ando korábban már feltalált egy újfajta gravimétert, az ún. torziósrúd-antennát, amely a szándékok szerint az első ilyen célú gravitációshullám-érzékelő eszköz lesz.

„A szupravezető graviméterek és a szeizmométerek nem ideálisak, mivel a bennük elhelyezett érzékelők együtt mozognak a műszerrel, és ez csaknem teljesen kioltja a földrengésekből eredő gyenge gravitációs jeleket – magyarázza Nobuki Kame, az ERI tanára. – Ezt a problémát »Einstein liftje« néven, vagy az ekvivalencia elveként ismeri a fizika. A torziósrúd-antenna viszont kiküszöböli ezt a hibát, mert a mozgás ellenére is érzékeli a gravitációs gradiensben beálló változásokat. A műszert eredetileg az ősrobbanásból eredő gravitációs hullámok érzékelésére, vagyis afféle űrbéli földrengések mérésére tervezték, de a mi célunk ennél földhözragadtabb.”

Az 1999-es tajvani földrengés is hatalmas károkat okozottForrás: AFP/Robyn Beck

A kutatók álma az, hogy torziósrúd-antennák egész hálózatát építenék ki a szeizmikusan aktív területeken országszerte. Az így létesített riasztórendszer egy 100 km-re lévő epicentrumból kiinduló rengés esetén az első lökéshullám megérkezte előtt mintegy 10 másodperccel figyelmeztethetné az embereket. A földrengés leginkább azok közül szedi az áldozatait, akik figyelmeztetés híján bent rekednek egy rájuk dőlő épületben, és tíz másodperc pont elég lehet ahhoz, hogy ezek az emberek időben biztonságos helyre meneküljenek.