津波警報における重要な数分間
大規模な海底地震が津波を発生させると、震源付近のコミュニティにとって検出から陸地到達までの時間窓はわずか15分という短さになる場合があります。警報時間が1分増えるごとに、直接命が救われます——高い地へ到達する人々、浸水地帯から脱出する人々、そうでなければ多くの死傷者が出る災害を生き残る人々です。NASAは、従来の海底センサーネットワークがデータを編集して送信する前に津波の大気シグネチャを検出することで、この時間窓に意味のある分数を追加できる技術を開発してきました。
この技術はGUARDIAN——GNSS高層大気リアルタイム災害情報・警報ネットワーク——と呼ばれており、つい最近まで不可能と思われていた原理に基づいて動作します。津波が海を横切って伝播する際、その上方の大気に圧力波を生成します。これらの大気波は水平方向だけでなく上方にも伝播し、電離圏——大気上層の電気的に帯電した層——に到達し、そこで電子密度に測定可能な乱れを生成し、その層を通過するGPS信号の伝播に影響を与えます。
GUARDIANが見えない波を検出する方法
地球上のナビゲーションを可能にするGPS衛星群も、GUARDIAN概念では、偶発的な津波センサーとして機能します。地球上のすべてのGPS受信機は、電離圏を通過する信号を継続的に受信しています。津波が生成する大気圧波は電離圏をわずかにしかし測定可能に歪め、GPS信号伝播データに異常を導入します。訓練されたアルゴリズムはこれを背景の電離圏変動性から区別して検出できます。
GPS信号は世界中の数千の地上局と数十億のコンシューマーデバイスによって同時に受信されるため、GUARDIANシステムは専用ハードウェアをデプロイせずに、密集したグローバルに分散したセンサーネットワークから電離圏擾乱データを集約できます。処理の課題は、電離圏データの実質的な背景ノイズから真の津波信号を区別することです——NASA研究者は、過去の津波イベントとその特性的な電離圏シグネチャで訓練された機械学習モデルを通じてこの問題に対処しました。
NASAが今週発表した新しいデータビジュアライゼーションは、2022年のフンガ・トンガ-フンガ・ハ'アパイ火山噴火と関連する津波をテストケースとして使用して、GUARDIANの検出能力を実証しています。ビジュアライゼーションは、その事象の大気圧波がどのように大気上方に伝播し、下の海洋の物理的な津波波の前に広がる検出可能な電離圏擾乱を生成したかを示しています。
追加の警報時間（分単位）
フンガ・トンガ事象では、GUARDIANの電離圏検出は、NOAAが運用するDARTネットワークの海底圧力センサーと比べて、約10～15分の追加警報時間を提供したであろう。ハワイと米国西海岸沿いのコミュニティにとって、DARTは主要な津波警報データを提供します。震源により近いコミュニティ——太平洋島国を含む——の場合、短い伝播時間とDARTネットワーク密度制限の組み合わせは、追加の警報が特に貴重であることを意味します。
追加の警報時間は波伝播の物理学から来ています：津波源からの音声と大気圧波は大気中の音速で伝播し、これは海洋での津波速度より速いです。GUARDIANは、物理波が海底圧力センサーに到達するのを待つのではなく、より速く先に進む大気シグネチャをキャプチャします。
NASAは現在、米国の公式津波警報システムを運用しているNOAAと協力して、GUARDIAN データを運用警報アラートに組み込む統合プロトコルに取り組んでいます。両機関は、警報決定プロセスで、従来の海底センサーデータとともにGUARDIAN検出をどの程度重み付けすべきかを評価している合同ワーキンググループを設立しました。
センシング能力の拡張
GUARDIANが津波検出に適用する電離圏センシング原理は、他の地球物理学的危険領域での潜在的な応用を持っています。火山噴火、大規模爆発、主要な地震はすべて、特性的な電離圏シグネチャを持つ大気圧波を生成します。GUARDIAN津波検出を可能にするのと同じグローバルGPS基盤は、適切なアルゴリズム開発によってこれらの他の危険に適用される可能性があります。
NASAはまた、既存の地上受信機ネットワークのセンサー密度によって現在十分でない領域に専用GPS参照局のネットワークをデプロイすることで、GPS ベースの電離圏センシングの感度を高められるかどうかも探索しています。多くのリスク社会コミュニティが位置する太平洋島地域は、米国本土とヨーロッパと比較してGPS地上局カバレッジが比較的スパースであり、最大の津波リスク地域での電離圏監視分解能を制限しています。
GUARDIANチームは検出方法論を発表し、基盤となるソフトウェアツールを国際科学コミュニティに提供しており、独立した宇宙計画とGPS地上ネットワークを持つ国における並列開発の取り組みを可能にすることを目標としています。世界で最も密集したGPS地上局ネットワークを持ち、世界で最も深刻な津波リスクに直面している日本は、既に独自の国家研究プログラムを通じてGUARDIAN方法論の評価を開始しています。
NASAのより広い災害監視ミッションの一部
GUARDIANは、陸上災害監視と警報アプリケーションのために既存の宇宙インフラを活用する複数のNASAプログラムの1つを表しています。NASAのARIAプログラムは合成開口レーダー衛星データを使用してリアルタイムに近い地震被害をマップしますが、GRACE-FOサテライトミッションは地下水枯渇を監視し、干ばつ早期警報アプリケーションに適用されています。これらのプログラム全体での共通点は、実用的な社会的便益のための宇宙ベースの科学インフラの転用です——基礎科学と人間探査とともに、NASAがその使命の中核部分として益々強調しているマンデートです。
この記事はNASAのレポートに基づいています。原文記事を読む。
Originally published on nasa.gov