دانشمندان هنوز نمیتوانند زلزلهها را پیشبینی کنند، اما یک پیشرفت قدرتمند در مدلسازی میتواند به ما کمک کند تا خطرات آنها را سریعتر از همیشه درک کنیم.
زلزلهها روزانه اتفاق میافتند و گاهی پیامدهای ویرانگری دارند، اما پیشبینی آنها هنوز خارج از دسترس است. آنچه دانشمندان میتوانند انجام دهند، نقشهبرداری از لایههای پنهان زیر سطح زمین است که تعیین میکنند زمین چقدر شدید لرزش میکند. رویکرد جدید، شبیهسازیهای پیچیده لرزهای را حدود هزار برابر سریعتر میکند و ارزیابی خطر را بسیار عملیتر میسازد. اگرچه این روش نمیتواند زلزله بعدی را پیشبینی کند، اما میتواند به شهرها کمک کند تا برای آن بهتر آماده شوند..
«زلزلهها، واقعیتی روزانه و فراتر از تصور»
در ۶ دسامبر ۲۰۲۵، یک زلزله بسیار قدرتمند با بزرگی ۷.۰ در آلاسکا رخ داد. زلزلههایی با این اندازه معمولاً توجه زیادی را به خود جلب میکنند، اما واقعیت این است که رخداد زلزلهها بسیار بیشتر از آن چیزی است که عموم مردم تصور میکنند. بر اساس برآوردهای سازمان زمینشناسی آمریکا (USGS)، روزانه تقریباً ۵۵ زلزله در نقاط مختلف جهان ثبت میشود که این تعداد در طول یک سال به مجموعی حدود ۲۰,۰۰۰ زلزله میرسد. این اعداد نشان میدهند که زمینلرزهها یک پدیده روزمره در کره زمین هستند و بسیاری از آنها، هرچند کوچک یا متوسط، در مناطق مختلف جهان رخ میدهند و معمولاً تنها زلزلههای بزرگ و ویرانگر هستند که توجه عمومی را جلب میکنند.
معمولاً هر سال یک زلزله با بزرگی ۸ یا بالاتر در نقاط مختلف جهان رخ میدهد و در کنار آن، حدود ۱۵ زلزله دیگر در محدوده بزرگی ۷ ثبت میشوند. به عنوان مثال، در سال ۲۰۲۵، یک زلزله قدرتمند با بزرگی ۸.۸ در نزدیکی شبهجزیره کامچاتکای روسیه رخ داد که جزو ۱۰ زلزله قویترین تاریخ ثبت شده محسوب میشود.
با توجه به رویکرد زمینشناسی «جشنواره اندیشمندان و دانشمندان جوان»، به موضوعاتی مانند رخدادهای لرزهای، پیامدهای زلزله و تحلیل خطرات ناشی از آنها توجه ویژهای میشود، جایی که محققان جوان تلاش میکنند راهکارهایی برای افزایش تابآوری جوامع در برابر زلزله ارائه دهند.
«پیامدهای ویرانگر زلزله و معمای پیشبینی»
زلزلهها میتوانند پیامدهای بسیار ویرانگری داشته باشند؛ از جمله خسارت جانی، تخریب ساختمانها و جادهها، اختلال در اقتصاد و اثرات روانی طولانیمدت بر افراد و جوامع آسیبدیده. همچنین، تأثیر مالی آنها در حال افزایش است. گزارشی که در سال ۲۰۲۳ توسط USGS و FEMA منتشر شد، نشان میدهد که هزینه خسارات ناشی از زلزله در ایالات متحده تقریباً ۱۴.۷ میلیارد دلار در سال برآورد میشود. یکی از دلایل اصلی این افزایش، زندگی بیشتر جمعیت در مناطقی است که فعالیت لرزهای بالایی دارند و در نتیجه در معرض خطر بیشتری هستند.
اگر دانشمندان قادر بودند زمان و مکان دقیق وقوع زلزلههای بزرگ را پیشبینی کنند، امکان برنامهریزی و آمادگی بهتر فراهم میشد و آسیبها به میزان قابل توجهی کاهش مییافت. با این حال، با وجود دههها تحقیق و پیشرفت علمی، هنوز پیشبینی دقیق و قابل اعتماد زلزلهها ممکن نیست و این یکی از بزرگترین چالشهای علم زلزلهشناسی به شمار میرود.
درک زمین زیر پای ما
اگرچه زمان زلزله قابل پیشبینی نیست، اما درک آنچه در زیر سطح زمین وجود دارد میتواند ارزیابی خطر را بهطور قابل توجهی بهبود دهد.
کاترین سمتانا، استاد یار در دپارتمان علوم ریاضی دانشگاه استیونز، توضیح میدهد که مواد زیرزمین به شدت متفاوتاند: «ممکن است لایههایی از سنگ سخت وجود داشته باشد، یا شن و خاک رس.»
از آنجا که امواج لرزهای در هر ماده به شکل متفاوتی حرکت میکنند، نوع مواد زیرسطحی تأثیر زیادی بر شدت لرزش در سطح زمین دارد.
چگونه دانشمندان زیرزمین را تصویرسازی میکنند
برای نقشهبرداری از لایههای زیرسطح زمین، پژوهشگران با بهرهگیری از علومپایه و تکنیکهای ریاضی و فیزیک از روشی به نام Full Waveform Inversion استفاده میکنند. این تکنیک لرزهای به آنها کمک میکند ساختار زیرزمین را با ترکیب شبیهسازیهای کامپیوتری و دادههای واقعی زلزله بازسازی کنند. فرآیند کار به این شکل است: دانشمندان ابتدا زلزلههای شبیهسازیشده با کامپیوتر تولید میکنند و مسیر حرکت امواج لرزهای را در زمین دنبال میکنند. سپس الگوهای امواج شبیهسازیشده را در محلهای لرزهنگار بررسی میکنند و آنها را با سِیزموگرامهای واقعی، که ثبت گرافیکی حرکت زمین از زلزلههای واقعی است، تطبیق میدهند. پس از چندین دور بازبینی، دادههای شبیهسازی به شباهت بالایی با مشاهدات واقعی میرسند و تصویر واضحتری از شرایط زیرسطحی ارائه میدهند.
اهمیت و محدودیتهای رویکرد شبیهسازی
به گفته سمتانا: «شما دادههای شبیهسازی کامپیوتر خود را با دادههای واقعی زلزله مقایسه میکنید. این به شما اجازه میدهد بفهمید زیرزمین چگونه است و زلزله چه تأثیری بر ترکیب آن دارد و در نهایت، این کمک میکند خطر زلزله در یک مکان مشخص تعیین شود.» این رویکرد نقش حیاتی در بهبود ابزارهای پایش و ارزیابی خطر زلزله دارد. با این حال، یک مشکل بزرگ وجود دارد: هر شبیهسازی میتواند میلیونها متغیر داشته باشد و باید هزاران بار تکرار شود. سمتانا توضیح میدهد: «یک شبیهسازی با روشهای سنتی حتی روی خوشههای پیشرفته محاسباتی چند ساعت طول میکشد و اجرای شبیهسازیهای کافی برای پایش مداوم، بسیار هزینهبر و زمانبر میشود.»
راهی سریعتر برای شبیهسازی زلزله
برای حل این مشکل، سمتانا با لرزهشناسان محاسباتی ریس هاوکینز و ژانو تراپرت از دانشگاه اوترخت و همچنین ماتیاس شلتبوم و محمد حمزه خالد از دانشگاه توئنته در هلند همکاری کرد. آنها مدلی سادهشده توسعه دادند که بار محاسباتی را به شدت کاهش میدهد و در عین حال دقت پیشبینی را حفظ میکند. سمتانا میگوید: «ما اساساً اندازه سیستم مورد نیاز برای حل را حدود ۱۰۰۰ برابر کوچکتر کردیم. این پروژه بسیار بینرشتهای بود و ما راه هوشمندانهای پیدا کردیم تا مدل کاهشیافته را بسازیم و همچنان دقت پیشبینی حفظ شود.»
این نوع تحقیقات پیشرفته و بینرشتهای، نمونهای از موضوعاتی است که در «جشنواره اندیشمندان و دانشمندان جوان» مورد توجه ویژه قرار میگیرد و نشان میدهد چگونه نوآوریهای علمی میتوانند در بهبود مدلسازی لرزهای و تابآوری جوامع در برابر زلزله نقش داشته باشند.
تحقیقات تیم سمتانا در مقالهای با عنوان «کاهش مرتبه مدل برای کاربردهای لرزهای» در مجله SIAM Journal on Scientific Computing منتشر شده است.
بهبود ارزیابی خطر، نه پیشبینی
مدل جدید امکان پیشبینی زمان زلزله را فراهم نمیکند، اما با استفاده از اصول علومپایه و مدلسازی ریاضی و فیزیکی، راهی کارآمدتر برای ارزیابی خطر زلزله در مکانهای مختلف ارائه میدهد. سمتانا میگوید: «اگر تصویر دقیقی از زیرزمین داشته باشید، بهتر میتوانید خطر زلزلههای آینده را ارزیابی کنید.»
علاوه بر این، همین رویکرد علمی میتواند در آینده به دانشمندان کمک کند سونامیهای ناشی از زلزلههای زیر دریا را شبیهسازی کنند. در بسیاری از موارد، سونامیها حداقل یک ساعت پس از زلزله به ساحل میرسند و این بازه زمانی میتواند به پژوهشگران اجازه دهد با بهرهگیری از علوم پایه و شبیهسازیهای سریع، پاسخهای اضطراری را هدایت کنند.
به سوی تابآوری بیشتر در برابر زلزله
تصاویر دقیق از زیرزمین کلید درک نحوه تأثیر زلزله بر مناطق مختلف هستند.
سمتانا میگوید: «در حال حاضر هیچ راهی برای پیشبینی زلزله وجود ندارد. اما کار ما میتواند تصویر واقعیتری از زیرزمین با قدرت محاسباتی کمتر تولید کند، که مدلهای ما را عملیتر میکند و به ما کمک میکند تابآوری بیشتری در برابر زلزله داشته باشیم.»
جمعبندی: چگونه این روش میتواند تابآوری در برابر زلزله را افزایش دهد
اگرچه هنوز امکان پیشبینی دقیق زمان و مکان زلزله وجود ندارد، این تحقیق نشان میدهد که با مدلسازی سریع و دقیق زیرزمین میتوان ارزیابی خطر زلزله را بهطور قابل توجهی بهبود داد. کاهش بار محاسباتی به اندازه هزار برابر باعث میشود شبیهسازیهای پیچیده سریعتر، ارزانتر و عملیتر شوند.
مزایای اصلی این رویکرد عبارتاند از:
- ارائه تصویری دقیقتر از ساختار زیرزمین، که شدت لرزش زمین در مناطق مختلف را بهتر نشان میدهد.
- بهبود ارزیابی خطر زلزله و سونامی، و امکان تصمیمگیری سریعتر برای مدیریت بحران.
- کمک به برنامهریزی شهری و طراحی مقاومتر ساختمانها در مناطقی که فعالیت لرزهای بالایی دارند.
- فراهم کردن امکان همکاریهای بینرشتهای، که دیدگاههای تازه و خلاقانه برای حل مسائل پیچیده ارائه میکند.
این پیشرفت نه تنها علم زلزلهشناسی را به سطحی کارآمدتر و عملیتر میبرد، بلکه میتواند به جوامع کمک کند تابآوری بیشتری در برابر زلزله و پیامدهای آن داشته باشند، حتی در غیاب توانایی پیشبینی مستقیم زلزلهها. این موضوع همچنین با محورهای علمی «جشنواره اندیشمندان و دانشمندان جوان» همسو است، جایی که محققان جوان به بررسی راهکارهای نوآورانه برای کاهش خطر زلزله و افزایش آمادگی جوامع میپردازند.
منبع: Science Daily
