NASA的GUARDIAN系统在海啸来临前提前预警

关乎生死的预警时间

当大型海底地震引发海啸时，对于靠近震中的社区来说，从检测到海啸登陆的时间窗口可能只有15分钟。每一分钟的额外预警时间都直接关系到生命的救赎——人们到达高地、远离淹没区、生存下来，否则就成为死亡人数。NASA一直在开发一项技术，能够通过在常规海底传感器网络汇编和传输数据之前检测到海啸的大气特征，从而为预警窗口争取有意义的额外时间。

这项技术被称为GUARDIAN——GNSS上层大气实时灾难信息和预警网络——它基于一项直到最近还似乎不太可能的物理原理。当海啸在海洋中传播时，它在其上方的大气中产生压力波。这些大气波不仅水平传播，还向上传播，到达电离层——上层大气的带电层——在那里它们在电子密度上产生可测量的扰动，影响通过该层的GPS信号的传播。

GUARDIAN如何检测无形的波

环绕地球的GPS卫星星座不仅支持地球上的导航，在GUARDIAN概念中，它还充当意外的海啸传感器。地球上的每个GPS接收器都在持续接收通过电离层的信号。海啸产生的大气压力波会略微但可测量地扭曲电离层，在GPS信号传播数据中引入异常，经过训练的算法可以检测到这些异常，并将其与电离层背景变异性区分开来。

由于GPS信号同时被全球数千个地面站和数十亿台消费设备接收，GUARDIAN系统可以从密集的全球分布式传感器网络聚合电离层扰动数据，而无需部署任何专用硬件。处理的挑战在于区分真正的海啸信号和电离层数据中大量的背景噪声——NASA研究人员已通过利用历史海啸事件及其特征电离层特征训练的机器学习模型解决了这一问题。

NASA本周发布的一份新数据可视化展示了GUARDIAN的检测能力，使用2022年汤加洪加-洪加哈'阿帕伊火山爆发及其相关海啸作为测试案例。可视化显示了该事件产生的大气压力波如何向上传播穿过大气，以及如何产生了可检测的电离层扰动，这些扰动在海洋下的物理海啸波之前向外扩散。

额外的预警时间分钟数

在汤加火山爆发事件中，与NOAA运营的DART网络的海底压力传感器相比，GUARDIAN的电离层检测本来可以提供约10至15分钟的额外预警时间。对于夏威夷和美国西海岸沿线社区，DART提供主要的海啸预警数据。对于靠近震源的社区——包括太平洋岛屿国家——由于传播时间短和DART网络密度限制，任何额外的预警都特别宝贵。

额外的预警时间来自波传播的物理学原理：来自海啸震源的声学和大气压力波以大气中的音速传播，这比海啸在海洋中的传播速度更快。GUARDIAN捕捉的是大气特征，它比物理波更快地到达，而不是等待物理波到达海底压力传感器。

NASA目前正在与运营官方美国海啸预警系统的NOAA合作，共同制定集成协议，将GUARDIAN数据纳入运营预警警报中。两个机构已建立联合工作组，评估在警报决策过程中GUARDIAN检测应如何与传统海底传感器数据进行权衡。

扩展传感能力

GUARDIAN应用于海啸检测的电离层传感原理在其他地球物理灾害领域也有潜在应用。火山爆发、大型爆炸和大地震都会产生具有特征电离层特征的大气压力波。与GUARDIAN海啸检测相同的全球GPS基础设施，通过适当的算法开发，可应用于这些其他灾害。

NASA还在探索是否可以通过在传感器密度相对稀疏的地区部署专用GPS参考站网络来增强基于GPS的电离层传感的灵敏度。与美国大陆和欧洲相比，太平洋岛屿地区的GPS地面站覆盖相对稀疏，限制了最具海啸风险地区电离层监测的分辨率。

GUARDIAN团队已发布了他们的检测方法，并向国际科学界提供基础软件工具，目的是促进拥有独立空间计划和GPS地面网络的国家开展平行开发工作。拥有世界上最密集GPS地面站网络且面临一些全球最严重海啸风险的日本，已开始通过其国家研究计划评估GUARDIAN的方法。

NASA更广泛的灾难监测任务的一部分

GUARDIAN代表了NASA多项计划之一，这些计划利用现有空间基础设施用于陆地灾难监测和预警应用。NASA的ARIA计划使用合成孔径雷达卫星数据近实时地绘制地震损害图，而GRACE-FO卫星任务监测地下水枯竭，已被应用于干旱早期预警应用。这些计划的共同之处在于将基于空间的科学基础设施重新用于实际社会利益——这是NASA越来越强调的作为其使命核心部分的任务，与基础科学和人类探索并列。

本文基于NASA的报道。阅读原文。