Một Tín Hiệu Trọng Lực Khó Nắm Bắt Có Thể Đồng Nghĩa Với Cảnh Báo Động Đất Nhanh Hơn

Trong một khoảng thời gian ngắn vào năm 2011, ngay sau khi hai tấm lớn của các tấm kiến tạo trượt ra khỏi bờ biển phía đông của Nhật Bản, trọng lực của trái đất đã dao động. Trường trọng lực của Trái Đất là kết quả của sự phân phối của vật chất—một sức mạnh mạnh mẽ hơn ở những nơi thế giới nặng hơn; một sự nắm chặt yếu hơn ở những nơi không nặng. Khi lượng lớn đất và nước bị di chuyển đột ngột, như trong một trận động đất, phân phối đó thay đổi. Những lực đẩy giữ mặt trăng gần, giữ không khí đặc và giữ chân ta chặt xuống đất nhảy vào một sự sắp xếp mới. Toàn bộ thế giới bị mất cân bằng, vài giây trước khi sóng động đất thực sự đến và Nhật Bản rung chuyển.

Không ai để ý tới. Ngay cả những cơn động đất lớn nhất, như trận động đất Tohoku năm 2011, cũng chỉ tạo ra một ảnh hưởng tinh tế đối với trọng lực. Nhưng với những nhà địa chấn quen thuộc với việc lắng nghe sâu vào những tiếng động của Trái Đất, những thay đổi như vậy đã lâu đã mang lại một khả năng mơ ước: một tín hiệu động đất gần như tức thì, lan rộng qua toàn cầu với tốc độ của ánh sáng. Trong những năm gần đây, các nhà khoa học đã tìm kiếm dữ liệu từ các trận động đất lớn để tìm kiếm dấu hiệu của những biến động trong trọng lực này. Chúng khó nắm bắt, và vẫn còn khá nhiều tranh cãi trong địa chấn học. Nhưng với sự giúp đỡ của các thiết bị nhạy cảm hơn và mô hình máy tính tốt hơn, những người săn mồi đã bắt đầu phát hiện chúng.

Bây giờ họ đang ngày càng gần việc áp dụng dữ liệu đó. Trong một bài báo được xuất bản trên Nature, các nhà nghiên cứu mô tả một hệ thống cảnh báo sớm động đất dựa trên những tín hiệu suy luận từ trọng lực đó. Họ đã thử nghiệm mô hình của họ trên dữ liệu động đất từ trận động đất Tohoku, phát hiện nó có thể phát hiện chính xác trận động đất khoảng tám giây nhanh chóng hơn so với các phương pháp trước đây và đưa ra ước lượng tốt hơn về kích thước lớn của nó. Công trình này chỉ là một bằng chứng thực nghiệm, nhìn lại một sự kiện duy nhất. Nhưng nó được thiết kế để kiểm tra xem phương pháp có thể thêm vài giây quý báu vào hệ thống cảnh báo sớm trong tương lai. “Chúng tôi đang chỉ ra rằng đây thực sự là một tín hiệu, và nó có thể được sử dụng,” nói Andrea Licciardi, một nhà địa chấn tại Đại học Côte d'Azur ở Pháp, người dẫn đầu nghiên cứu. “Người ta thậm chí chẳng nhìn vào phần dữ liệu này, nhưng nó có thể tương đương, nếu không tốt hơn, so với các tín hiệu hiện tại.”

Những tín hiệu hiện tại chủ yếu là sóng P, những sóng động đất xảy ra khi đá nén và rung từ một cú sốc đột ngột. Khi những sóng này đến các trạm địa chấn, phần mềm nhanh chóng xác định nơi động đất bắt nguồn và ước lượng kích thước của nó. Mục tiêu là cung cấp cho mọi người một cái nhìn trước, dù chỉ là ngắn ngủi, trước sự chuyển động lên xuống của sóng S, một loại động đất chậm hơn thường gây ra nhiều thiệt hại nhất. Trong những năm gần đây, các công cụ và thuật toán tốt hơn đã tạo ra những hệ thống cảnh báo nhanh chóng và đáng tin cậy hơn. Nhưng sóng P thường chỉ di chuyển ở một vài kilômét mỗi giây, đặt ra một giới hạn lý thuyết về tốc độ phát hiện.

Biến động trọng lực nhanh hơn—nhanh như ánh sáng. “Nó nhanh hơn bất kỳ phương pháp nào chúng ta có hôm nay,” nói Martin Vallée, một nhà địa chấn tại Đại học Paris đã làm việc về việc phát hiện những tín hiệu này. Nhưng chúng cũng yếu hơn đáng kể so với sóng P, khiến chúng khó nhận diện từ kẻ địa chấn, kẻ thù lớn nhất của họ: tiếng ồn. Tiếng ồn của trái đất là liên tục, một đám đông của những sự kiện nhỏ được tạo ra bởi con người, động đất, và sự hỗn loạn của không khí và đại dương khiến cho những dấu hiệu sớm của một trận động đất lớn trở nên vô cùng khó nghe. Người địa chấn muốn có một tín hiệu rõ ràng về những gì sắp xảy ra. Nghe nhầm tiếng ồn và hàng triệu cư dân thành phố có thể kết thúc việc đổ về đường hoặc khuất phục trong khung cửa mà không có lý do gì cả.

Trong nhiều thập kỷ, những người địa chấn đã tranh cãi về việc có thể phát hiện được hay không. Có các công cụ để quan sát trực tiếp các sóng trọng lực, như các cơ sở LIGO lớn ở Louisiana và Washington. Nhưng chúng chủ yếu chỉ hữu ích cho nhà thiên văn học và không thực tế để nắm bắt những biến động nhỏ do động đất gây ra. Thay vào đó, những biến động được quan sát gián tiếp bằng cảm biến địa chấn, nơi nhận thức phản ứng của Trái Đất khi nó đẩy và kéo ra xa để chống lại sự chuyển động của khối lượng. Vấn đề là, thay đổi trọng lực và các phản ứng đàn hồi với chúng chủ yếu hủy bỏ lẫn nhau. Điều này tạo ra một tín hiệu vô cùng mờ nhạt, được biết đến là một “tín hiệu co giãn trọng lực ngay lập tức,” hoặc PEGS, để quan sát.

Sóng động đất từ một trận động đất lớn dễ nhìn thấy—hãy nghĩ về hình ảnh kinh điển của một máy địa chấn, bút vẽ ra những sóng đặc trưng trên một tờ giấy quay khi cơn động đất đến. Ngay cả đối với những đôi mắt được đào tạo chuyên nghiệp, PEGS chỉ là những nét nghệch, không thể phân biệt được khỏi tiếng ồn. Rất khó để chứng minh rằng chúng có mặt. Trong năm 2017, những xác định sớm về PEGS trong dữ liệu động đất Tohoku đã nhận phản đối từ các nhà địa chấn khác.

Tuy nhiên, theo thời gian, các nhà nghiên cứu đã thu thập được nhiều quan sát hơn từ các trận động đất trên khắp thế giới. “Tôi đã thuyết phục bản thân rằng lý thuyết là chính xác,” nói Maarten de Hoop, một nhà địa chấn tính toán tại Đại học Rice không liên quan đến nghiên cứu. Lấy cảm hứng một phần từ sự tranh cãi xoay quanh những phát hiện sớm, anh ta đã bắt đầu chứng minh toán học liệu những biến động trọng lực có thể quan sát được hay không. Anh ta cho biết, điều quan trọng là nhìn vào dữ liệu từ những khoảnh khắc đầu tiên của trận động đất, trước khi sóng P đến cảm biến. Tại điểm đó, hai lực “không hoàn toàn hủy bỏ lẫn nhau,” có nghĩa là lý thuyết có một tín hiệu có thể được tìm thấy trong tiếng ồn. Nhưng câu hỏi liệu các nhà địa chấn có thể thực sự phân biệt được hai lực này vẫn còn đó.

Nghiên cứu mới cung cấp sự xác nhận ban đầu rằng họ có thể, de Hoop nói. Một điều rõ ràng là các công cụ hiện tại chỉ có thể phân biệt được tín hiệu trọng lực từ dữ liệu ồn ào khác nhau trong những trận động đất lớn nhất—những trận động đất lớn hơn mức 8.0, như những trận động đất lớn như trận động đất megathrust ảnh hưởng đến những địa điểm như Nhật Bản, Alaska và Chile. Vì những trận động đất lớn đó là hiếm, đội ngũ của Licciardi tạo ra một bộ dữ liệu về trận động đất giả định, rải rác trong ồn địa chấn thực tế được quan sát tại các trạm ở khắp Nhật Bản. Điều này được sử dụng để huấn luyện một thuật toán máy học sẽ phát hiện sự bắt đầu của một trận động đất và ước lượng kích thước của nó dựa trên tín hiệu trọng lực.

Khi các nhà nghiên cứu áp dụng mô hình vào dữ liệu thời gian thực từ các cảm biến trong suốt trận động đất Tohoku, mất khoảng 50 giây dữ liệu để đưa ra một phát hiện chính xác, vượt qua các phương pháp hiện đại gần đây, bao gồm các phương pháp GPS dựa trên không gian đo lường chuyển động của mặt đất ngay sau một trận động đất. Sự chênh lệch tám giây có vẻ nhỏ, nhưng đó “vẫn là nhiều trong bối cảnh cảnh báo sớm,” Licciardi lưu ý—đặc biệt là trong các tình huống như trận động đất Tohoku, nơi cư dân ven biển chỉ được vài phút để di tản trước cơn sóng tsunami sắp tới.

Ngoài ra, các nhà nghiên cứu lưu ý rằng mô hình đã chính xác hơn trong việc ước lượng kích thước của trận động đất, điều quan trọng để dự đoán kích thước của sóng tsunami. Ở Nhật Bản vào năm 2011, ước lượng ban đầu về một trận động đất dưới 8.0 cho thấy một sóng nhỏ hơn nhiều.

Phương pháp vẫn còn xa lắm mới trở nên thực tế. Thomas Heaton, một nhà địa chấn tại CalTech, mô tả việc tiếp tục tìm kiếm biến động trọng lực như “một cái búa đang tìm kiếm một đinh,” khi tiến bộ trong các phương pháp truyền thống hơn cho việc phát hiện động đất—kể cả ở Nhật Bản, nơi các quan chức đã đáp ứng đối với Tohoku bằng cách thêm nhiều cảm biến dọc theo các vùng chìm ngoại khơi và mở rộng mô hình của họ để tính đến những trận động đất lớn, 9.0 trở lên. Đối với ông, công việc lớn nhất của các hệ thống cảnh báo sớm là làm cho cảnh báo trở nên thực tế hơn: kiểm tra kỹ thuật hiện tại để nếu có một cảnh báo được đưa ra, mọi người sẽ nghe và biết cách phản ứng. “Vấn đề của chúng tôi không phải là cảm biến. Đó là cách lấy dữ liệu từ hệ thống và nói cho mọi người biết phải làm gì,” ông nói.

Tuy nhiên, Hoop, người tự xưng là một người “hứng thú” với công việc mới, lưu ý rằng nó cung cấp một bản đồ chi tiết cho việc cải thiện các phương pháp với dữ liệu tốt hơn và kỹ thuật học máy. Chìa khóa để làm cho điều này hoạt động với các động đất thường gặp hơn, nhỏ hơn sẽ là tìm cách giảm ngưỡng độ lớn để phát hiện các tín hiệu trọng lực - điều đó có thể đòi hỏi các cảm biến có khả năng phát hiện trực tiếp sự thay đổi trong trường trọng lực. “Tôi nghĩ có một lượng thông tin lớn ở đây và có rất nhiều công việc để làm,” ông nói.