نظام GUARDIAN التابع لناسا يكتشف أمواج تسونامي قبل الضربة

الدقائق التي تحدث فرقاً في تحذير تسونامي

عندما يولد زلزال تحت سطح البحر الكبير موجة تسونامي، قد تكون نافذة الكشف والوصول إلى الشاطئ قصيرة جداً لمجتمعات قريبة من المركز، ربما خمسة عشر دقيقة فقط. كل دقيقة إضافية من وقت التحذير تترجم بشكل مباشر إلى أرواح محفوظة — الناس الذين يصلون إلى الأراضي المرتفعة، الذين يخرجون من منطقة الفيضان، الذين ينجون مما قد يصبح خلاف ذلك حصيلة وفيات كبيرة. كانت ناسا تطور تقنية يمكن أن تضيف دقائق ذات معنى إلى تلك النافذة من خلال اكتشاف التوقيع الجوي لموجة تسونامي قبل أن تتمكن شبكات المستشعرات التقليدية على قاع البحر من تجميع وإرسال بيانتها.

التقنية تسمى GUARDIAN — شبكة معلومات الكوارث والتنبيهات في الوقت الفعلي للغلاف الجوي العلوي GNSS — وتعمل على مبدأ كان يبدو غير محتمل حتى وقت قريب. عندما تنتشر موجة تسونامي عبر المحيط، تخلق موجات ضغط في الغلاف الجوي فوقها. هذه الموجات الجوية تنتشر صعوداً وكذلك أفقياً، وتصل إلى الغلاف الأيوني — الطبقة المشحونة كهربائياً من الغلاف الجوي العلوي — حيث تخلق اضطرابات قابلة للقياس في كثافة الإلكترونات التي تؤثر على انتشار إشارات GPS التي تمر عبر الطبقة.

كيف يكتشف GUARDIAN الموجة غير المرئية

كوكبة GPS التي تمكن الملاحة على الأرض تعمل أيضاً، في مفهوم GUARDIAN، كمستشعر تسونامي عرضي. كل جهاز استقبال GPS على الأرض يستقبل باستمرار إشارات تمر عبر الغلاف الأيوني. موجة الضغط الجوي التي يولدها تسونامي تشوه الغلاف الأيوني بشكل طفيف لكن قابل للقياس، مما يؤدي إلى إدراج حالات شذوذ في بيانات انتشار إشارة GPS التي يمكن للخوارزميات المدربة اكتشافها وتمييزها عن تقلب الغلاف الأيوني في الخلفية.

لأن إشارات GPS تستقبل بشكل متزامن من قبل آلاف محطات الأرض ومليارات أجهزة المستهلك في جميع أنحاء العالم، يمكن لنظام GUARDIAN تجميع بيانات اضطراب الغلاف الأيوني من شبكة مستشعرات كثيفة وموزعة عالمياً دون نشر أي أجهزة مخصصة. التحدي المعالج هو تمييز إشارات تسونامي الحقيقية من الضوضاء الخلفية الكبيرة في بيانات الغلاف الأيوني — مشكلة عالجها باحثو ناسا من خلال نماذج التعلم الآلي المدربة على أحداث تسونامي تاريخية وتوقيعاتهم الأيونية المميزة.

عرض بيانات جديد أصدرته ناسا هذا الأسبوع يوضح قدرة كشف GUARDIAN باستخدام ثوران بركان Hunga Tonga-Hunga Ha'apai عام 2022 وموجة تسونامي المرتبطة به كحالة اختبار. يوضح التصور كيف انتشرت موجة الضغط الجوي من هذا الحدث صعوداً عبر الغلاف الجوي وخلقت اضطرابات أيونية قابلة للكشف انتشرت أمام موجة تسونامي الجسدية في المحيط أدناه.

دقائق من وقت التحذير الإضافي

في حدث Hunga Tonga، كان الكشف الأيوني لـ GUARDIAN سيوفر ما يقارب 10 إلى 15 دقيقة من وقت التحذير الإضافي مقارنة بمستشعرات الضغط على قاع البحر التابعة لشبكة DART التي تديرها NOAA. بالنسبة للمجتمعات في هاواي وعلى طول ساحل الولايات المتحدة الغربي، توفر DART بيانات تحذير تسونامي الأساسية. بالنسبة للمجتمعات الأقرب إلى المصدر — بما في ذلك دول جزر المحيط الهادئ — فإن مزيج أوقات الانتشار القصيرة وقيود كثافة شبكة DART يعني أن أي تحذير إضافي مهم بشكل خاص.

وقت التحذير الإضافي يأتي من فيزياء انتشار الموجة: موجات الضغط الصوتية والجوية من مصدر تسونامي تسافر بسرعة الصوت في الغلاف الجوي، وهي أسرع من سرعة موجة تسونامي في المحيط. يلتقط GUARDIAN التوقيع الجوي، الذي يتقدم أسرع، بدلاً من الانتظار حتى تصل الموجة الجسدية إلى مستشعر ضغط على قاع البحر.

ناسا تعمل حالياً مع NOAA، التي تدير نظام التحذير الرسمي من تسونامي في الولايات المتحدة، على بروتوكولات التكامل التي ستدمج بيانات GUARDIAN في تنبيهات التحذير التشغيلية. أنشأت الوكالتان مجموعة عمل مشتركة تقيم كيفية أن تُوزن كشوفات GUARDIAN جنباً إلى جنب ببيانات المستشعرات التقليدية على قاع البحر في عملية اتخاذ قرار التحذير.

توسيع القدرة الاستشعارية

المبدأ الاستشعاري الأيوني الذي يطبقه GUARDIAN على كشف تسونامي لديه تطبيقات محتملة عبر مجالات أخرى من أخطار الكوارث الجيوفيزيائية. الثورانات البركانية والانفجارات الضخمة والزلازل الكبرى تولد جميعها موجات ضغط جوي لها توقيعات أيونية مميزة. البنية الأساسية GPS العالمية نفسها التي تمكّن كشف تسونامي GUARDIAN يمكن تطبيقها على هذه الأخطار الأخرى مع التطوير المناسب للخوارزميات.

ناسا تستكشف أيضاً ما إذا كان يمكن تحسين حساسية الاستشعار الأيوني القائم على GPS من خلال نشر شبكة من محطات مرجع GPS المخصصة في المناطق التي تفتقر حالياً إلى كثافة الاستشعار من شبكة جهاز الاستقبال الأرضي الموجودة. منطقة جزر المحيط الهادئ، حيث توجد العديد من المجتمعات المعرضة للخطر، تتمتع بتغطية محطات GPS على الأرض نسبياً متناثرة مقارنة بالولايات المتحدة القارية وأوروبا، مما يحد من دقة مراقبة الغلاف الأيوني في منطقة أعلى مخاطر تسونامي.

نشر فريق GUARDIAN منهجيتهم في الكشف وجعل أدوات البرنامج الأساسية متاحة للمجتمع العلمي الدولي، بهدف تمكين جهود التطوير المتوازي في الدول التي تمتلك برامج فضائية مستقلة وشبكات GPS أرضية. اليابان، التي تمتلك أكثر شبكة محطات أرضية GPS كثافة في العالم وتواجه بعضاً من أخطار تسونامي الأكثر حدة في العالم، بدأت بالفعل في تقييم منهجية GUARDIAN من خلال برامجها البحثية الوطنية الخاصة.

جزء من مهمة ناسا الأوسع لمراقبة الكوارث

يمثل GUARDIAN أحد عدة برامج ناسا التي تستفيد من البنية الأساسية للفضاء الموجودة لتطبيقات مراقبة الكوارث الأرضية والتحذير. يستخدم برنامج ARIA الخاص بناسا بيانات رادار فتحة اصطناعية الفضائية لرسم خريطة أضرار الزلازل في الوقت الفعلي تقريباً، بينما تراقب مهمة الأقمار الصناعية GRACE-FO استنزاف المياه الجوفية وتم تطبيقها على تطبيقات الإنذار المبكر للجفاف. الخيط المشترك عبر هذه البرامج هو إعادة استخدام البنية الأساسية العلمية القائمة على الفضاء للفائدة الاجتماعية العملية — ولاية أكدت ناسا بشكل متزايد باعتبارها جزءاً أساسياً من مهمتها إلى جانب العلوم الأساسية والاستكشاف البشري.

هذا المقال يستند إلى تقارير من ناسا. اقرأ المقالة الأصلية.