Als ein seismisches Netzwerk ausfiel, sprang Citizen Science ein

Am Nachmittag des 12. Januar 2010 ereignete sich etwa 16 Meilen westlich von Haitis Hauptstadt Port-au-Prince ein Erdbeben der Stärke 7,0. Bei den größten verzeichneten seismischen Katastrophen kamen mehr als 100.000 Menschen ums Leben. Der Schaden-Milliarden kosten Dollar – machte mehr als eine Million Menschen obdachlos und zerstörte einen Großteil der Infrastruktur der Region. Die Erde spaltete sich in einer relativ geringen Tiefe von etwa 8 Meilen und stürzte schlecht gebaute Gebäude ein.

Damals verfügte Haiti über kein nationales seismisches Netzwerk. Nach dem verheerenden Ereignis installierten Wissenschaftler im ganzen Land teure seismische Stationen, aber eine solche Instrumentierung erfordert Finanzierung, Sorgfalt und Fachwissen. Heute sind diese Stationen nicht mehr funktionsfähig. 2019 entschieden sich Seismologen dafür versuchen Sie etwas anderes und viel billiger – Bürgerseismologie über Raspberry Shakes.

Am Morgen des 14. August 2021, inmitten eines Sommers mit COVID-19-bedingten Abriegelungen und politischen Unruhen, ereignete sich ein weiteres Erdbeben, das die Gelegenheit bot, zu testen, wie gut diese Raspberry-Pi-betriebenen Geräte nützlich sein könnten. In einem am Donnerstag in Science veröffentlichten Artikel beschrieben Forscher die Verwendung von Raspberry Shake-Daten, um zu demonstrieren, dass dieses Citizen-Science-Netzwerk sowohl den Hauptschock als auch die nachfolgenden Nachbeben erfolgreich überwachte und kritische Daten zur Entschlüsselung lieferte, die sich als weniger als einfaches Zerreißen der Erde herausstellten.

Stärkeres Erdbeben

Das Ereignis vom August 2021 ereignete sich mit einer Stärke von 7,2, 40 % stärker als sein Vorgänger von 2010. Es brach entlang derselben Verwerfungszone, aber in einer ländlicheren Region, was zu relativ weniger Verlusten führte. Dennoch kamen rund 2.500 Menschen ums Leben, 13.000 wurden verletzt und mindestens 140.000 Häuser zerstört oder beschädigt.

Einer der 2019 installierten Raspberry Shakes befand sich etwa 21 Kilometer vom Epizentrum entfernt, zwei weitere Bürgerstationen waren nahe genug, um das Erdbeben zu erkennen. Zusammen mit zwei anderen seismischen Stationen in Port-au-Prince – eine bei der US-Botschaft und ein weiteres Bildungsinstrument an einer örtlichen High School – traf die Raspberry Shake-Benachrichtigung innerhalb einer Minute nach dem Erdbeben ein, sagte Eric Calais. (Calais gehörte zu den Wissenschaftlern, die die internationale Reaktion auf die Erdbeben von 2010 und 2021 anführten, und zu den Anführern der Citizen-Science-Initiative.) Zwei weitere Raspberry Shakes in der Nähe des Epizentrums, die während der Schockhauptzeit aufgrund von Problemen mit der Internetverbindung nicht verfügbar waren, wurden von ihren Hosts wieder verbunden innerhalb von zwei Stunden.

Ein nutzloses Netzwerk

Um jegliches Grollen im Boden, einschließlich Erdbeben, zu erkennen, benötigen Sie eine seismische Station voller Sensoren, eine Möglichkeit, die Daten aufzuzeichnen, einen Ort, an dem diese Informationen gespeichert werden, und Strom, um die gesamte Maschine zu betreiben. Seismologen verlassen sich normalerweise auf teure seismische Stationen, die sorgfältig eingerichtet werden müssen, um Hintergrundvibrationen zu minimieren, die durch Menschen, Wind und sogar atmosphärische Druckänderungen verursacht werden. Um Echtzeitdaten zu melden, benötigen Stationen eine ständige Kommunikation über Mobilfunknetze oder Satellitenverbindungen. Diese Stationen müssen von speziell dafür ausgebildetem Fachpersonal gewartet werden.

Nach dem Erdbeben von 2010 wurde die neue herkömmliches seismisches Netzwerk sollte vom Bureau of Mines and Energy of Haiti unterhalten werden. Als 2018 ein Erdbeben der Stärke 5,9 17 Menschen tötete, war keine dieser Stationen funktionsfähig, was die haitianische Bevölkerung zwang, sich auf Informationen zu verlassen, die vom US Geological Survey aus der Ferne gesammelt wurden.

Laut Co-Autor und Seismologe Anthony Lomax ist sein Eindruck von haitianischen Wissenschaftlern, dass ein Haupthindernis für ein stabiles seismisches Netzwerk die allgemeine Gesetzlosigkeit ist, die von Gerätediebstahl bis hin zu Lösegeldentführungen reicht.

„Die drei Hauptstraßen von Port-au-Prince in die Provinzen werden von Banden kontrolliert“, räumte Calais ein. „Die Regierung musste sie dafür bezahlen, dass sie aufhören zu schießen und zu stehlen, damit die humanitäre Hilfe nach dem Erdbeben durchkommen konnte.

Himbeer-Shake zur Rettung

Raspberry Shakes, kostengünstige seismische Plug-and-Play-Stationen, die wenig Wartung erfordern, können viele der Probleme umgehen, die das herkömmliche seismische Netzwerk plagen. Unterstützt durch einen Raspberry Pi-Computer, der das Hochladen von Daten auf Server übernimmt, benötigen Raspberry Shakes eine Internetverbindung und eine Steckdose, um Datenspeicherung bzw. Stromversorgung bereitzustellen. Während herkömmliche seismische Stationen jeweils weit über 10.000 Dollar kosten können, kosten diese Instrumente nur einen Bruchteil davon: rund 400 Dollar.

Während es mehrere Modelle gibt, die verschiedene Dinge messen können (wie dieses Raspberry Shake and Boom, das auch einen Infraschalldetektor enthält), entschieden sich die Wissenschaftler, die für die Einführung des Citizen Science Network in Haiti verantwortlich sind, für das Himbeer-Shake 4D, das einen vertikalen Geschwindigkeitssensor und Beschleunigungsmesser umfasst, die die Bewegung in zwei horizontale Richtungen sowie nach oben und unten messen. Die Finanzierung für dieses Projekt kommt hauptsächlich von zwei französischen Instituten, sagte Co-Autorin Françoise Courboulex. Das Raspberry Shake-Netzwerk wurde hauptsächlich von Steve Symithe und Calais in ganz Haiti installiert.

Symithe, Calais und ihre Kollegen platzierten Stationen an geeigneten Orten, wie den oben erwähnten Salons, die dazu neigten, ziemlich laute Orte zu sein. Die von diesen Stationen aufgenommenen Umgebungsschwingungen sind im Allgemeinen viel höher als bei einer herkömmlichen seismischen Station, die vor den Erschütterungen des täglichen Lebens geschützt ist speziell entworfene Gewölbe. Trotz des Lärms liefern diese Himbeershakes immer noch wertvolle Informationen in einem Land ohne andere seismische Instrumente.

Derzeit liefern viele Stationen Echtzeitdaten, die auf der verfügbar sind Ayiti-Erdbeben-Plattform. Dieses Netzwerk kann Erdbeben mit viel geringerer Stärke in Haiti erkennen als andere regionale Netzwerke in der Karibik, mit den neuesten Standorten und Magnituden auf der Website verfügbar.

Schütteltest

Die dem Erdbeben am nächsten gelegene Raspberry Shake-Station, R50D4, lieferte während und nach dem Erdbeben unschätzbare Informationen. Erstens war die Spitzenbodenbeschleunigung – die Spitzenbeschleunigung, die der Boden während eines Erdbebens an der Stelle dieser seismischen Station erfuhr – etwas höher als erwartet. der erwartet Der Wert wurde in die 2012 veröffentlichten Bauvorschriften eingetragen. Beschleunigung und Erschütterungen sind laut Lomax in höheren Stockwerken im Allgemeinen größer. Dies impliziert, dass die neuen mehrstöckigen Gebäude nicht dafür ausgelegt waren, dem Ereignis von 2021 standzuhalten.

Auf jeden Fall werden nur etwa weniger als 10 % der haitianischen Gebäude von Ingenieuren entworfen und überprüft, sagte Calais. „Es liegt an den Ingenieuren, den Code zu befolgen oder nicht“, erklärte er. „Es gibt keine Rechenschaftspflicht.“

Die gut gelegene Einzelstation R50D4 ermöglichte es Seismologen auch zu testen, ob sie maschinelles Lernen verwenden könnten, um Nachbeben mit einer einzigen seismischen Station zu identifizieren. Sie trainierten den Algorithmus, um Erdbeben mit einer Stärke von mehr als 3,0 mithilfe von Erdbeben- und Lärmdatenbanken zu erkennen. Dieses maschinelle Lernverfahren, das auf die Station R50D4 angewendet wurde, gab die ungefähre Zeit und das Ausmaß aller nachfolgenden Nachbeben in der Nähe der Station an, sagte Lomax.

Der resultierende Katalog ließ sich unglaublich gut mit dem Katalog der Nachbeben vergleichen, der vom gesamten Citizen Seismic Network erstellt wurde. „KI ist leistungsfähig genug, um im Rauschen verborgene Signale zu finden, vorausgesetzt, der Algorithmus wurde richtig trainiert, um Erdbeben zu erkennen“, sagte Calais.

Diese Studie unterstreicht die Bedeutung von Beobachtungen in der Nähe der Bruchstelle, sagte der Seismologe Wenyuan Fan, der nicht an dieser Studie beteiligt war. „Sogar seltene, kostengünstige und relativ laute Sichtungen könnten bei der Gefahrenminderung und dem Risikomanagement helfen.“

Cluster von Schlupf, Cluster von Zittern

Eines der anderen Dinge, in die die Daten von Raspberry Shake Einsichten geliefert haben, ist die komplizierte Natur von Haitis Verwerfungssystem. Die Verwerfung, auf die die Erdbeben von 2010 und 2021 trafen, scheint hauptsächlich zu sein Rückschlag, bei dem zwei tektonische Platten aneinander reiben, anstatt sich aufeinander zu oder voneinander weg zu bewegen. Aber in Haiti reibt die karibische Platte an der nordamerikanischen Platte, während sie sich ihr nähert. Diese schräge Bewegung führt dazu, dass Erdbeben sowohl Blattverschiebungen sein können, als auch eine inverse Komponente haben, in die sie, hier unter einem Winkel, eintreten. Diese umgekehrten Verwerfungen verstecken sich unter der Erde und berühren im Gegensatz zu Blattverschiebungen möglicherweise niemals die Oberfläche, während sie von unten Verwüstungen anrichten.

Das Erdbeben von 2010 enthielt Elemente beider Arten von Plattenbewegungen, und die Analyse seismischer Daten deutet darauf hin, dass dasselbe im Jahr 2021 passiert ist.

Basierend auf ihrer Analyse, die sowohl Daten von Raspberry Shake als auch Informationen von entfernt gelegenen konventionellen seismischen Stationen enthält, stellten Calais und seine Kollegen fest, dass das Erdbeben von 2021 in zwei unterschiedliche Unterereignisse aufgeteilt werden könnte. Das Beben begann als Schub, bei dem sich eine Seite relativ zur anderen bewegte, aber das war größtenteils verborgen – dieser Teil des Bebens brach nicht durch die Oberfläche. Das zweite Unterereignis war die Streikrutschkomponente, die im Westen und nach dem ersten Teil auftrat. Laut Calais war dieser Bruch flacher und durchbrach die Oberfläche.

Das Underthrust-Ereignis kann das Stall-Ereignis „ausgelöst“ haben. Dass sie nur ein Zufall sind, ist fast unmöglich, sagte Lomax.

„Mehr Arbeit wird uns zeigen“, sagte Calais, wie die Beziehung zwischen diesen beiden Teilen des gesamten Erdbebens ist. „Das Erdbeben hat vielleicht nach dem ersten Unterereignis aufgehört, aber der Bruch brachte genug Energie mit sich, um in ein anderes Segment in der Nähe zu springen“, sagte er, „genau wie 2010!“

Wissenschaft, 2022. DOI: 10.1126/science.abn1045

Alka Tripathy Lang ist freiberuflicher Wissenschaftsautor mit einem Ph.D. in Geologie. Sie schreibt über Erdbeben, Vulkane und das Innenleben unseres Planeten.