PREVENT Earthquakes (UCLan)

Înțelegerea Cutremurelor: Știință, Impact și Management

Panagiota Nikolaou

Începe

Obiective

• Definește cutremurele și undele seismice.
• Explică mecanica tectonică și cauzele cutremurelor.
• Evaluează tehnologii precum senzorii și UAV-urile în gestionarea cutremurelor.
• Discută provocările post-cutremur și propune strategii viitoare.

Cuprins

Tehnologii de Management

Obiective

Mitigation

Introducere

Strategii de Atenuare

Mecanică

Direcții Viitoare

Chestionar

Obiective de Învățare

• Bazele cutremurelor: Definește, explică undele seismice și analizează impactul.
• Mecanica cutremurelor: Rolul plăcilor tectonice și al mișcărilor tectonice.
• Tehnologii utilizate pentru predicție: Sisteme de avertizare timpurie, senzori și învățare automată.
• Strategii de atenuare: UAV-uri în scenarii post-cutremur.
• Direcții viitoare: Propune strategii inovatoare de gestionare a dezastrelor.

01 Introducere în Cutremure

01 Introducere în Cutremure

Introducere în Cutremure

• Un cutremur are loc atunci când energia de deformare din scoarța terestră este eliberată brusc, cauzând unde de zguduire.
• Cutremurele sunt clasificate printre cele mai mortale pericole naturale, care pot cauza pierderi teribile de vieți omenești și costuri economice semnificative.
• Potrivit Centrului Național de Informare despre Cutremure, în medie sunt înregistrate 20.000 de cutremure în fiecare an, dintre care aproximativ 100 pot cauza daune serioase, iar 16 sunt considerate cutremure majore (cu magnitudinea de 7 și peste pe scara Richter).
• Aproximativ 60.000 de oameni mor anual din cauza dezastrelor naturale, majoritatea din cauza prăbușirii clădirilor rezultate din cutremure.

Introducere în Cutremure (continuare)

Introducere în Cutremure (continuare)

Introducere în Cutremure (continuare)

02 Mecanica Cutremurelor

Mecanica Cutremurelor

• Scoarța terestră este formată din șapte plăci tectonice mari și câteva mai mici.
• Sub scoarță se află mantaua, care se comportă ca un fluid vâscos.
• Curenții de convecție din manta, generați de căldura din nucleul Pământului, fac ca aceste plăci tectonice să se deplaseze cu câțiva centimetri în fiecare an.
• La granițele unde plăcile tectonice se ciocnesc, se acumulează o frecare imensă.
• Când presiunea depășește forțele de frecare care mențin plăcile împreună, are loc o eliberare bruscă de tensiune, rezultând un cutremur.
• Un cutremur este zguduirea suprafeței Pământului în litosferă, cauzată de eliberarea bruscă de energie și de mișcarea plăcilor tectonice.
• Această energie generează unde seismice care radiază spre exterior.

Mecanica Cutremurelor (continuare)

• Există trei tipuri de mișcări ale plăcilor tectonice care pot cauza cutremure:
• Divergent: Plăcile se îndepărtează una de cealaltă.

Mecanica Cutremurelor (continuare)

• Există trei tipuri de mișcări ale plăcilor tectonice care pot cauza cutremure:
• Convergent: Plăcile se ciocnesc.

Mecanica Cutremurelor (continuare)

• Există trei tipuri de mișcări ale plăcilor tectonice care pot cauza cutremure:
• Transformant: Plăcile alunecă una pe lângă cealaltă.

Mecanica Cutremurelor (continuare)

• Cauzele Cutremurelor:
• Acumularea și eliberarea de tensiune
• Linii de falie și activitate geologică

Mișcările Plăcilor Tectonice

03 Tehnologii pentru Gestionarea Cutremurelor

Tehnologii pentru Detectarea Cutremurelor

• Sisteme de Avertizare Timpurie:
• Dezvoltate pentru a trimite alerte înaintea unui cutremur pentru a reduce impactul dezastrelor în multe sectoare ale societății.
• Implică detectarea unui eveniment atunci când cutremurul a inițiat o mișcare detectabilă a solului.
• Conceptul se bazează pe faptul că undele S și undele de suprafață (adică tipuri mai distructive de unde seismice) se propagă mai lent decât undele P (mai puțin distructive).
• Pe baza analizei colectate, alertele sunt comunicate autorităților cu câteva secunde sau minute înainte ca cutremurul să lovească, pentru a lua măsurile necesare, cum ar fi evacuarea clădirilor periculoase.
• Sistemele convenționale utilizează instrumente seismice tradiționale (adică seismometre de înaltă calitate).
• Acestea au fost dezvoltate în mai multe țări predispuse la cutremure, inclusiv Mexic, Japonia, Turcia, România, China, Italia și Taiwan.

Tehnologii pentru Gestionarea Cutremurelor (continuare)

• Tipuri de Senzori Utilizați pentru Sistemele de Avertizare Timpurie:
• Seismometre:
• Implică un senzor de mișcare a solului utilizat pentru a măsura deplasarea solului în direcțiile XYZ și un sistem de înregistrare pentru a reprezenta grafic forma de undă corespunzătoare undei seismice.
• Forma de undă oferă proprietăți critice, cum ar fi amplitudinea și gama de frecvențe ale semnalelor seismice.

Tehnologii pentru Gestionarea Cutremurelor (continuare)

• Tipuri de Senzori Utilizați pentru Sistemele de Avertizare Timpurie: Seismometre:
• Seismometre:
• Astfel de semnale pot fi extrem de dinamice, cu o gamă de amplitudine între 0,1 nanometri și 10 metri, în timp ce gama de frecvențe este între 0,00002 Hz și până la 1000 Hz.
• Dispozitive foarte sensibile, ceea ce implică faptul că unda înregistrată poate include de obicei și alte zgomote naturale din mediu, cum ar fi zgomotul vântului, al valurilor oceanului sau alte activități meteorologice, sau activitate seismică minoră și zgomot antropic provenit din trafic, operațiuni industriale.

Tehnologii pentru Gestionarea Cutremurelor (continuare)

• Tipuri de Senzori Utilizați pentru Sistemele de Avertizare Timpurie:
• Accelerometre:
• Măsoară viteza unui singur punct de pe sol și oferă informații suplimentare despre intensitatea și forțele la care este supus obiectul din cauza zguduirii solului.

Tehnologii pentru Gestionarea Cutremurelor (continuare)

• Tipuri de Senzori Utilizați pentru Sistemele de Avertizare Timpurie:
• Sistemul Global de Navigație prin Satelit (GNSS):
• Cele mai cunoscute exemple sunt GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou.

• Sateliții transmit semnale cu microunde care sunt recepționate de antene și receptoare terestre pentru a obține poziția antenei.

Tehnologii pentru Gestionarea Cutremurelor (continuare)

• Tipuri de Senzori Utilizați pentru Sistemele de Avertizare Timpurie:
• Sistemul Global de Navigație prin Satelit (GNSS):
• GNSS permite oamenilor de știință să obțină fluxuri de poziționare în timp real ca serii temporale continue și, în cele din urmă, să recupereze poziția solului, deplasarea solului, viteza și deplasarea statică.
• Avantajul soluțiilor GNSS față de seismografele tradiționale este că nu se saturează cu magnitudinea și permit extragerea directă a formelor de undă de deplasare, acoperirea evenimentelor din afara rețelei și caracterizarea faliilor și a distribuțiilor de alunecare.

• DAR, pentru a oferi informații utile, cutremurele trebuie să fie destul de puternice, cu o magnitudine mai mare de 7.

Tehnologii pentru Gestionarea Cutremurelor (continuare)

• Tipuri de Senzori Utilizați pentru Sistemele de Avertizare Timpurie:
• Tehnologia Infrasunetelor:
• Cutremurele cu o magnitudine mai mare de 5,5 mb (magnitudine pe unde de volum) pot produce unde infrasunete care pot fi detectate și înregistrate folosind senzori de infrasunete.
• Sunetele care se situează sub frecvențele audibile, variind de la 0,003 la 20 Hz, sunt definite ca infrasunete.
• Deplasarea suprafeței Pământului sau rupturile pot fi considerate o sursă de infrasunete naturale, deoarece sunt produse de oscilația de joasă frecvență a suprafeței Pământului la epicentru și în regiunile înconjurătoare.
• Japonia a dezvoltat o rețea de 30 de senzori de infrasunete KUT, care sunt senzori complecși ce integrează un accelerometru, un barometru și un microfon pentru detectarea infrasunetelor.
• Analiza formelor de undă infrasunete înregistrate ale cutremurelor poate oferi informații cu privire la magnitudinea și durata seismică.

Tehnologii pentru Gestionarea Cutremurelor (continuare)

• Internetul Lucrurilor (IoT) și Inteligența Artificială (AI):
• Noile dezvoltări în IoT și capacitatea AI de a explora tipare ascunse în date demonstrează un potențial promițător pentru predicția cutremurelor.
• Metode bazate pe reguli, învățare automată superficială și algoritmi de învățare profundă au fost deja implementați în mai multe studii pentru a facilita predicția cutremurelor. Predicția cutremurelor se bazează în mare măsură pe date istorice.
• Cu toate acestea, implementarea datelor precursoare (adică indicatori indirecți și neconfirmați, cum ar fi concentrația de gaz radon și variația temperaturii solului) a fost, de asemenea, implementată în modelele AI pentru a facilita cercetarea privind predicția cutremurelor.
• Deoarece modelele de învățare automată necesită date extinse pentru a fi antrenate și îmbunătățite, măsura în care aceste tehnologii vor spori acuratețea predicției și vor îmbunătăți modelele de cutremure este limitată de disponibilitatea datelor istorice rare despre cutremure, deoarece cutremurele majore nu sunt foarte frecvente.

Tehnologii pentru Gestionarea Cutremurelor (continuare)

• Tehnici de Învățare Automată pentru Predicție:
• Algoritmi care procesează datele colectate de la senzori și le utilizează pentru a antrena diferite modele de învățare automată cu scopul de a clasifica semnalele de cutremur.

04 Strategii de Atenuare

Tehnologii pentru atenuarea efectelor cutremurelor

• Posibilitatea unei replici necesită menținerea unei distanțe de siguranță față de zona afectată, ceea ce face dificil accesul uman. Astfel, Vehiculele Aeriene Fără Pilot (UAV-uri) se numără printre cele mai eficiente tehnologii avansate care pot fi utilizate pentru a atenua efectele unui cutremur.

Tehnologii pentru atenuarea efectelor cutremurelor (continuare)

• Modern UAV platforms, with sensing tools that can be mounded on these platforms, allow epxerts from emergency and rescue services to inspect, sense and manipulate objects from protected location at a safe distance from an actual incident or disaster area.
• A plethora of autonomous functionalities in UAV operations allow for more efficient and effective operations which minimize the overall response times.
• Componentele principale ale unui sistem UAV sunt:
• unitatea de control al zborului care controlează rotoarele pe baza intrărilor diferiților senzori
• telecomanda care trimite manual informații către unitatea de control al zborului pentru a efectua mișcări manuale pe baza intrărilor utilizatorului
• sistemul de poziționare absolută care este responsabil să știe cu precizie unde este localizat UAV-ul pentru a corecta deviațiile senzorilor
• stațiile de control la sol ale UAV-urilor care sunt dezvoltate pentru a automatiza procesul de gestionare și monitorizare a operațiunii UAV și pentru a ajuta la îndeplinirea scopului misiunii prin utilizarea potențialului UAV-urilor.

Tehnologii pentru atenuarea efectelor cutremurelor (continuare)

• UAV-urile pot oferi mai multe funcționalități, cum ar fi colectarea și furnizarea de informații pentru a evalua amploarea unui dezastru, oferă ajutoare vizuale primilor respondenți (de exemplu, furnizează informații despre locații sigure sau nesigure, caută persoane dispărute, oferă informații despre posibile pericole etc.).
• De exemplu, inspectează zona efectuând căutarea și salvarea de vieți omenești sub dărâmături după un cutremur, sub clădirile prăbușite.
• O misiune de căutare și salvare este inițiată pentru a inspecta zona în căutarea civililor răniți, fie prin utilizarea unei singure UAV, fie a unui roi de UAV-uri.

Operațiuni de Căutare și Salvare Utilizând UAV-uri

05 Direcții Viitoare

Direcții Viitoare

• Tehnologii predictive pentru a oferi avertismente mai precise
• Inovații în operațiunile autonome de salvare
• Utilizarea AI și includerea mai multor date de antrenament pentru predicții precise

06 Chestionar

00:30

1/10

00:30

2/10

00:30

3/10

00:30

4/10

00:30

4/10

00:30

5/10

00:30

6/10

00:30

7/10

00:30

8/10

00:30

9/10

00:30

10/10

Activitate de Discuție (~90 de minute)

• https://create.kahoot.it/share/prevent-earthquakes/40f05041-aeac-42e8-bdcf-6ba7bb2d6516
• Subiecte de discuție:
• Subiect principal: Cum pot tehnologiile avansate să îmbunătățească și mai mult managementul dezastrelor?

• AI și Învățarea Automată în Predicția și Răspunsul la Dezastre
• Rolul IoT în Managementul Dezastrelor
• Infrastructură Inteligentă și Orașe Reziliente la Dezastre
• Tehnologia Satelitară și Teledetecția pentru Monitorizarea Dezastrelor
• Instrucțiuni:
• Realizați un brainstorming în grupuri și împărtășiți idei.
• Alocați 30 de minute pentru discuție.
• Pregătiți o scurtă prezentare de 5 minute pentru a vă prezenta ideile în clasă (60 de minute).

Curs finalizat!