El sistema GUARDIAN de NASA detecta tsunamis antes de que golpeen

Los minutos que importan en la advertencia de tsunamis

Cuando un terremoto submarino importante genera un tsunami, la ventana entre la detección y la llegada a tierra puede ser tan corta como quince minutos para las comunidades cerca del epicentro. Cada minuto adicional de tiempo de advertencia se traduce directamente en vidas salvadas: personas que alcanzan terrenos más altos, que se alejan de la zona de inundación, que sobreviven lo que de otro modo se convierte en un saldo de muertes. NASA ha estado desarrollando una tecnología que podría agregar minutos significativos a esa ventana detectando la firma atmosférica de un tsunami antes de que las redes convencionales de sensores del fondo marino puedan compilar y transmitir sus datos.

La tecnología se llama GUARDIAN — Red de Información de Desastres en Tiempo Real de la Atmósfera Superior GNSS y Alerta — y funciona según un principio que habría parecido improbable hasta recientemente. Cuando un tsunami se propaga a través del océano, crea ondas de presión en la atmósfera sobre él. Estas ondas atmosféricas se propagan hacia arriba así como horizontalmente, alcanzando la ionosfera — la capa cargada eléctricamente de la atmósfera superior — donde crean disturbios medibles en la densidad de electrones que afectan la propagación de las señales GPS que pasan a través de la capa.

Cómo GUARDIAN detecta la onda invisible

La constelación GPS que permite la navegación en la Tierra también funciona, en el concepto GUARDIAN, como un sensor de tsunami accidental. Cada receptor GPS en la Tierra recibe continuamente señales que pasan a través de la ionosfera. Una onda de presión atmosférica generada por tsunami distorsiona ligeramente pero perceptiblemente la ionosfera, introduciendo anomalías en los datos de propagación de señales GPS que los algoritmos entrenados pueden detectar y distinguir de la variabilidad ionosférica de fondo.

Dado que las señales GPS son recibidas simultáneamente por miles de estaciones terrestres y miles de millones de dispositivos de consumidor en todo el mundo, el sistema GUARDIAN puede agregar datos de disturbios ionosféricos desde una red de sensores densa y distribuida globalmente sin desplegar ningún hardware dedicado. El desafío del procesamiento es distinguir las señales genuinas de tsunami del ruido de fondo sustancial en los datos ionosféricos — un problema que los investigadores de NASA han abordado a través de modelos de aprendizaje automático entrenados en eventos de tsunami históricos y sus firmas ionosféricas características.

Una nueva visualización de datos lanzada por NASA esta semana demuestra la capacidad de detección de GUARDIAN utilizando la erupción volcánica de Hunga Tonga-Hunga Ha'apai de 2022 y el tsunami asociado como caso de prueba. La visualización muestra cómo la onda de presión atmosférica de ese evento se propagó hacia arriba a través de la atmósfera y creó disturbios ionosféricos detectables que se extendieron delante de la onda física del tsunami en el océano de abajo.

Minutos de tiempo de advertencia adicional

En el evento de Hunga Tonga, la detección ionosférica de GUARDIAN habría proporcionado aproximadamente 10 a 15 minutos de tiempo de advertencia adicional en comparación con los sensores de presión del fondo marino de la red DART operada por NOAA. Para las comunidades en Hawaii y a lo largo de la costa oeste de los EE.UU., DART proporciona los datos principales de advertencia de tsunami. Para las comunidades más cerca de la fuente — incluyendo naciones de islas del Pacífico — la combinación de tiempos de propagación cortos y limitaciones de densidad de la red DART significa que cualquier advertencia adicional es particularmente valiosa.

El tiempo de advertencia adicional proviene de la física de la propagación de ondas: las ondas de presión acústica y atmosférica del origen del tsunami viajan a la velocidad del sonido en la atmósfera, que es más rápida que la velocidad de la onda del tsunami en el océano. GUARDIAN captura la firma atmosférica, que avanza más rápido, en lugar de esperar a que la onda física alcance un sensor de presión del fondo marino.

NASA está trabajando actualmente con NOAA, que opera el sistema oficial de advertencia de tsunamis de EE.UU., en protocolos de integración que incorporarían datos de GUARDIAN en alertas de advertencia operacionales. Las dos agencias han establecido un grupo de trabajo conjunto que está evaluando cómo las detecciones de GUARDIAN deben ponderarse junto con datos de sensores del fondo marino tradicionales en el proceso de decisión de advertencia.

Expandiendo la capacidad de detección

El principio de detección ionosférica que GUARDIAN aplica a la detección de tsunamis tiene aplicaciones potenciales en otros dominios de peligros geofísicos. Las erupciones volcánicas, grandes explosiones y terremotos principales generan ondas de presión atmosférica con firmas ionosféricas características. La misma infraestructura global GPS que permite la detección de tsunami de GUARDIAN podría aplicarse a estos otros peligros con el desarrollo apropiado de algoritmos.

NASA también está explorando si la sensibilidad de la detección ionosférica basada en GPS puede mejorarse desplegando una red de estaciones de referencia GPS dedicadas en regiones actualmente mal servidas por la densidad de sensores de la red de receptores terrestres existente. La región de islas del Pacífico, donde se encuentran muchas comunidades en riesgo, tiene una cobertura relativamente dispersa de estaciones terrestres GPS comparada con el EE.UU. continental y Europa, limitando la resolución del monitoreo ionosférico en el área de mayor riesgo de tsunami.

El equipo de GUARDIAN ha publicado su metodología de detección y está poniendo las herramientas de software subyacentes a disposición de la comunidad científica internacional, con el objetivo de permitir esfuerzos de desarrollo paralelo en países con programas espaciales y redes GPS de tierra independientes. Japón, que tiene la red de estaciones terrestres GPS más densa del mundo y enfrenta algunos de los riesgos de tsunami más severos del mundo, ya ha comenzado a evaluar la metodología de GUARDIAN a través de sus propios programas de investigación nacionales.

Parte de una misión más amplia de monitoreo de desastres de NASA

GUARDIAN representa uno de varios programas de NASA que aprovechan la infraestructura espacial existente para aplicaciones de monitoreo de desastres terrestres y de advertencia. El programa ARIA de NASA utiliza datos de radar de apertura sintética de satélites para mapear daños de terremotos en tiempo casi real, mientras que la misión de satélite GRACE-FO monitorea el agotamiento de agua subterránea y se ha aplicado a aplicaciones de alerta temprana de sequía. El hilo común en estos programas es la reutilización de infraestructura científica basada en el espacio para beneficio societal práctico — un mandato que NASA ha enfatizado cada vez más como una parte central de su misión junto con la ciencia básica y la exploración humana.

Este artículo se basa en reportes de NASA. Leer el artículo original.