@ 2015.04.17 , 21:30

地震预警:手机当先

利用智能手机作为地震早期预警传感装置

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如今,除了刷微博看小电影,通过智能手机你能够完成很多事情。特别是很多手机能够被整合到同一个网络中时,手机的功能将是无限的(这就是大数据)。例如,加州理工和美国地质调查所(USGS)目前就在研究通过大量手机所反馈的数据,用于地震预警系统。目前只有很少国家拥有相当简易的地震预警系统-系统的预警时间可能仅仅能够让你保命-但是手机现在的普及率相当之高,甚至很多缺乏公共设施(公路、能冲水的厕所)的不发达国家普及率也很高。

通常地震高发区的城市人口巨大,特别是那些在不同板块附近的城市。然而,仅有若干国家拥有地震预警系统,因为用于地震预警的设备和员工成本十分高昂。很多人可能不知道,加州的地震预警能力可能还不如墨西哥、日本和土耳其。一旦发生警报,信息会首先尽可能的传递到学校、消防站、以及申请注册过的个人用户家中。这里用了一个简单原则:地震的震动传播速度低于现今的通信信号速度。打个比方,一个7.8级地震从沙敦海(Salton Sea )传播到洛杉矶需要一分多钟,中间有约150英里。而地震发生的几秒钟内,震感被地震传感器检测到后,眨眼间信息就会传播到整个网络中。

Sarah Minson,来自USGS的地球物理学家,也是本期(4月10日)发布在《Science Advance》的论文的第一作者,觉得手机非常适合作为地震传感器,虽然手机并不对地震并不敏感。利用群集力量,通过大量手机能够建立一个众包预警网络(crowd-sourced alert network )。他们研究发现,手机中的GPS接收器能够检测到固定的地面活动、或者在7级以上地震所产生的地面变化。该信号传递到网络中后,对应算法将对其进行分析,计算出地震从当前发生的位置需要多久会传递到进行预警的用户,并进行预警。

”三十年前,拼接地震区域的地壳变形测绘图片需要数月时间,新技术能够提供近似精准的和更清晰的图片。“Thomas Heaton(地震工程学教授,也是论文合作者之一)说道。他们在7级地震的仿真数据之上测试了众包地震预警(earthquake early warning, EEW)系统,另外还用了2011年日本东北部(Tohoku-oki)的9级地震数据。测试表明,在大都市区域,有至少有5000部智能手机联网组成的网络中,能够将地震信息有效的传递到远处的城市。

文章表示,由于低于7级的地震无法被GPS捕获得到,他们的EEW系统还不够灵敏。但是,由于很多智能手机还配备了加速器(既能用于指南针应用,还能进行游戏控制)。新版本的检测系统将能够通过手机中的微型加速器检测到强度在5级左右的地震。 Caltech的社区地震网络项目(Community Seismic Network Project )就是一个刚刚利用加速器研发的EEW系统。意大利的地球物理和火山研究所的地震学家已经组件了一个这样的系统,并且报告能够成功检测到5级以上的地震。

“美国地震预警系统是在我们的高级科学地震网络之上的,但是众包的方式能够进一步完善我们的系统,使得更多的,我们原先网络没有覆盖到的地区能够获得相关的预警信息”,Douglas Given(ShakeAlert Earthquake Early Warning System开发者之一 )说。

众包数据虽然不够精确,但是大型地震所造成的大范围地壳运动,能够让我们的系统通过手机检测到相关地震的发生,这种信息对于预警系统是相当宝贵的。

本文译自 ZMEscience,由译者 邻家乖蜀黍 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


地震预警:手机当先

# 本文译自《经济学人》,由 Alexander_the_Minor 投递:

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提前收到地震预警不再是发达国家的特权

早在公元2世纪前期,中国有一位名叫张衡的工程师兼学者发明了一台精巧的“候风地动仪”。每当地震发生时,地动仪内置的其中一个金属小球就会掉落,以此指示地震发生的方向。相比之下,当时使用人工从震源地传递消息则需花费数天时间。不过,无论是世界上第一台测震仪还是日后改进的各个版本,都无法提前预测地震。目前地震预测专家们所能做到的,仅仅是在地震发生前极短暂的时间内觉察并发布预警;而本周的一项研究则致力于如何最大限度利用这段宝贵的、稍纵即逝的时间。

地震产生的振动是多种多样的。对于预警而言,最有参考价值的振动是压力波,即声波,因为声波在地底传播的速度要大于后续的地震剧烈晃动。因此,这类声波可以在毁灭性震动到达之前的几秒钟或几分钟内被监测到,具体取决于监测仪器与震源的距离。

如何精确地测定压力波的强度,同时又不将地震的声响与普通载货火车发出的震动相混淆,这是一项技术活,更是一个生死攸关的抉择:如果能够收到预警,即使只提前短短的几秒钟,居民们就有机会撤离到安全的区域,重要的设施可以提前关闭,正在进行的医疗手术也可以果断中止,以避免更大的损失。为此,一些发达国家已花费巨资建立起一套全国范围的地震预警系统。

然而,上述预警系统大部分只是采用与张衡当年的地动仪震摆装置类似的原理,稍作改进而已:一个悬挂的重物,在地面震动的情况下依旧保持静止。研究者们很快就发现大多数智能手机其实也内置了类似的设备——加速计,通常用于判断手机哪面朝上。于是,研究人员针对手机内置的加速计进行了一系列的设计研发,希望通过加速计侦测、甚至提前发布地震信息;其中一项研究成果是一款名为MyQuake的手机软件。

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但是,当地震强度过大的时候,加速计的侦测就遇到了难题:一旦震动强度超过7级,就会超出手机加速计的计算范围。幸好手机内部还有一样设备可以派上用场,那就是卫星定位装置。

一些致力于地震学研究的国家机构,例如美国地质勘探局,目前已采用卫星定位装置精确测定部分地质断层的相互距离。地震发生的时候,板块之间会突然出现一些永久性的移位,由此产生的相对位置变化,会被分布在地面的感应装置侦测到。但是上述的侦测设备价格昂贵,无法在世界各地广泛使用。因此,基于感应器网络构建的地震预警系统,对于广大不发达国家和地区来说仍是遥不可及的设想。

来自美国地质勘探局的本杰明·布鲁克斯及其研究团队,正在着手开发一套与上述测量方式类似、但应用范围更广的方案。据《科学进展》近日发表的一项报告称,布鲁克斯团队对部分个人电子产品内置的卫星定位装置进行了一系列的性能测试,以检验智能手机在综合各类卫星定位数据后,对于突发地质变化的判断能力。实验分为两部分,其中一项测试在加利福尼亚州的海沃德断层进行。在那里研究小组模拟断层出现了1米的位移。对此,手机数据精确地判断出该次模拟地震的震源及其级数,并在5秒钟内发布了地震警告。

另一项测试则采用了2011年日本东北地震的真实监测数据。此次测试虽然只调用了小部分用户的手机数据,但仅用时77秒便监测到模拟地震。如果当年应用此项监测系统,相关机构完全可以在地震到达东京之前及时发布预警,并告知民众数分钟后会发生海啸。

由于级数较高的地震通常会造成较大的板块位移,所以采用卫星定位数据的监测系统,与先前提到的加速计感应的方法正好相反,更适合判定强度更大的剧烈震动,同时也能收集来自地底深处的地质运动数据。统计地震传播的各类数据,有助于研究人员更好地了解板块构造运动。一个仅需智能手机构建的地震监测网络,对于广大发展中国家而言是弥足珍贵的,因为该系统不仅提供预警信息,同时也为缺乏先进科研设备的新兴地区不断反馈丰富的地震数据资料。

现在布鲁克斯研究团队带着实验模型来到地震多发国家智利,希望能够获得更多的研究机会。在那里研究团队会放置250个监测设备,用来收集相关地质数据。从某种意义上说,张衡当年的理论仍然适用今天的情况;只不过对于那些大规模的强烈地震,我们现在已经拥有一套更直接的监测方法了。

本文译自 Economist,由译者 邻家乖蜀黍 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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