SWE - PREVENT Earthquakes (UCLan)

Förstå jordbävningar: Vetenskap, konsekvenser och hantering

Panagiota Nikolaou

Start

Index

Hanteringsteknologier

Mål

Mitigation

Mildrningsstrategier

Introduktion

Mekanik

Framtida inriktning

Bedömning

Mål

• Definiera jordbävningar och seismiska vågor.
• Förklara tektonisk mekanik och orsakerna till jordbävningar.
• Utvärdera tekniker som sensorer och UAV:er inom jordbävningshantering.
• Diskutera utmaningar efter jordbävningen och föreslå framtida strategier.

Lärandemål

• Grundläggande fakta om jordbävningar: Definiera, förklara seismiska vågor och analysera effekterna.
• Jordbävningsmekanik: Tektoniska plattors och tektoniska rörelsers roll.
• Tekniker som används för prediktion: System för tidig varning, sensorer och maskininlärning.
• Strategier för att mildra effekterna: UAV:er i scenarier efter jordbävningar.
• Framtida inriktning: Föreslå innovativa strategier för katastrofhantering.

01 Introduktion till jordbävningar

Introduktion till jordbävningar

• En jordbävning inträffar när spänningsenergin i jordskorpan plötsligt frigörs och orsakar skakningar.
• Jordbävningar klassificeras som en av de dödligaste naturkatastroferna som kan orsaka fruktansvärda förluster av människoliv och ekonomiska kostnader.

• Enligt National Earthquake Information Center registreras i genomsnitt 20 000 jordbävningar varje år, varav cirka 100 kan orsaka allvarliga skador och 16 betraktas som stora jordbävningar (med en magnitud på 7 eller mer på Richterskalan).
• Cirka 60 000 människor dör varje år i naturkatastrofer, de flesta till följd av att byggnader rasar samman på grund av jordbävningar.

Introduktion till jordbävningar (forts.)

Antal jordbävningar per år med en magnitud på 5,0 eller högre som registrerats sedan 1964Källa: BGR

Introduktion till jordbävningar (forts.)

Källa: Wikipedia Lista över jordbävningar

Introduktion till jordbävningar (forts.)

02 Mekanik bakom jordbävningar

Mekanik bakom jordbävningar

• Jordskorpan består av sju stora tektoniska plattor och flera mindre.
• Under jordskorpan ligger manteln, som beter sig som en viskös vätska.
• Konvektionsströmmar i manteln, som drivs av värme från jordens kärna, får dessa tektoniska plattor att röra sig några centimeter varje år.
• Vid gränserna där de tektoniska plattorna kolliderar uppstår en enorm friktion. När trycket överstiger friktionskrafterna som håller ihop plattorna, frigörs plötsligt spänningen, vilket resulterar i en jordbävning.
• En jordbävning är en skakning av jordytan inom litosfären, orsakad av en plötslig frigöring av energi och rörelse av tektoniska plattor.
• Denna energi genererar seismiska vågor som strålar utåt.

Mekanik bakom jordbävningar (forts.)

• Det finns tre typer av tektoniska plattrörelser som kan orsaka jordbävningar:
• Divergent: Plattorna rör sig isär

Mekanik bakom jordbävningar (forts.)

• Det finns tre typer av tektoniska plattrörelser som kan orsaka jordbävningar:
• Konvergent: Plattor kolliderar

Mekanik bakom jordbävningar (forts.)

• Det finns tre typer av tektoniska plattrörelser som kan orsaka jordbävningar:
• Transformera: Plattorna glider förbi varandra

Mekanik bakom jordbävningar (forts.)

• Orsaker till jordbävningar:
• Stressackumulering och frigörande
• Förkastningslinjer och geologisk aktivitet

Tektoniska plattors rörelser

03 Teknologier för hantering av jordbävningar

Teknologier för hantering av jordbävningar

• System för tidig varning:
• Utvecklad för att skicka varningar före jordbävningar för att minska katastrofens påverkan på många sektorer i samhället.
• Innebär detektering av en händelse när jordbävningen har uppstått för att ge detekterbar markrörelse.
• Konceptet baseras på det faktum att S-vågor och ytvågor (dvs. mer destruktiva typer av seismiska vågor) fortplantar sig långsammare än P-vågor (mindre destruktiva).
• Baserat på den insamlade analysen skickas varningar till myndigheterna sekunder eller minuter innan jordbävningen inträffar, så att nödvändiga åtgärder kan vidtas, t.ex. evakuering av farliga byggnader.
• Konventionella system använder traditionella seismiska instrument (dvs. högkvalitativa seismometrar).
• De har utvecklats i flera jordbävningsdrabbade länder, bland annat Mexiko, Japan, Turkiet, Rumänien, Kina, Italien och Taiwan.

Teknologier för hantering av jordbävningar (forts.)

• Typ av sensorer som används för tidiga varningssystem:
• Seismometrar:
• Innebär en markrörelsesensor som används för att mäta markförskjutningar i XYZ-riktningarna och ett registreringssystem för att grafiskt återge vågformen som motsvarar den seismiska vågen.
• Vågformen ger viktiga egenskaper såsom amplitud och frekvensområde för seismiska signaler.

Teknologier för hantering av jordbävningar (forts.)

• Typ av sensorer som används för tidiga varningssystem:
• Seismometrar:
• Sådana signaler kan vara extremt dynamiska med ett amplitudintervall mellan 0,1 nm och 10 m, medan frekvensintervallet ligger mellan 0,00002 Hz och 1000 Hz.
• Mycket känsliga enheter, vilket innebär att den inspelade vågen vanligtvis också kan innehålla andra naturliga miljöjud, såsom vind, havsvågor eller andra väderrelaterade aktiviteter, mindre seismisk aktivitet samt antropogent buller från trafik och industriell verksamhet.

Teknologier för hantering av jordbävningar (forts.)

• Typ av sensorer som används för tidiga varningssystem:
• Accelerometrar:
• Mät hastigheten på en enskild punkt på marken och ge extra information om intensiteten och krafterna som påverkar objektet från markvibrationer.

Teknologier för hantering av jordbävningar (forts.)

• Typ av sensorer som används för tidiga varningssystem:
• Globalt satellitnavigeringssystem (GNNS):
• De mest kända exemplen är GPS, GLONASS, Galileo och BeiDou.
• Satelliterna sänder mikrovågsignaler som tas emot av landbaserade antenner och mottagare för att fastställa antennens position.

Teknologier för hantering av jordbävningar (forts.)

• Typ av sensorer som används för tidiga varningssystem:
• Globalt satellitnavigeringssystem (GNNS):
• GNNS gör det möjligt för forskare att hämta strömningar av realtidspositionering som kontinuerliga tidsserier och slutligen återställa markposition, markförskjutning, hastighet och statisk förskjutning.
• Fördelen med GNSS-lösningar jämfört med traditionella seismografer är att de inte mättas med magnitud och direkt extrahering av förskjutningsvågformer, täckning av händelser utanför nätverket och karakterisering av förkastningar och glidningsfördelningar.
• MEN, för att ge användbar information måste jordbävningarna vara ganska starka, med en magnitud över 7.

Teknologier för hantering av jordbävningar (forts.)

• Typ av sensorer som används för tidiga varningssystem:
• Infraljudsteknologi:
• Jordbävningar med en magnitud över 5,5 mb (kroppsvågsmagnitud) kan alstra infraljudsvågor som kan detekteras och registreras med hjälp av infraljudssensorer.
• Ljud som ligger under hörbara frekvenser mellan 0,003 och 20 Hz definieras som infraljud..
• Förskjutningar av jordytan eller sprickor kan betraktas som en källa till naturligt infraljud, eftersom det produceras av lågfrekventa svängningar i jordytan vid epicentrum och i de omgivande områdena.

• Japan har utvecklat ett nätverk av 30 KUT-infraljudssensorer som är omfattande sensorer som integrerar en accelerometer, en barometer och en mikrofon för att detektera infraljud.
• Analys av inspelade vågformer av infraljud från jordbävningar kan ge information om seismisk magnitud och varaktighet.

Teknologier för hantering av jordbävningar (forts.)

• Sakernas internet (IoT) och artificiell intelligens (AI):
• Nya utvecklingar inom IoT och AI:s förmåga att utforska dolda datamönster visar på en lovande potential för jordbävningsprognos.
• Regelbaserade metoder, ytlig maskininlärning och djupinlärningsalgoritmer har redan implementerats i flera studier för att underlätta prognoser av jordbävningar. Prognoser av jordbävningar är i hög grad beroende av historiska data.
• Emellertid har även prekursordata (dvs. indirekta och obekräftade indikatorer såsom radongaskoncentration och variationer i marktemperatur) implementerats i AI-modeller för att underlätta forskning om jordbävningsprognos.
• Eftersom maskininlärningsmodeller kräver omfattande data för att tränas och förbättras, är omfattningen av hur dessa teknologier kan förbättra prognosprecisionen och modellerna för jordbävningar begränsad till tillgången på knappa historiska jordbävningsdata, eftersom större jordbävningar inte är särskilt frekventa.

Teknologier för hantering av jordbävningar (forts.)

• Maskininlärningstekniker för prediktion:
• Algoritmer som bearbetar de insamlade data från sensorerna och använder dem för att träna olika maskininlärningsmodeller för att klassificera jordbävningssignaler.

04 Mildrningsstrategier

Teknologier för att mildra effekterna av jordbävningar

• Risken för efterskalv gör det nödvändigt att hålla ett säkert avstånd från det drabbade området, vilket försvårar tillgången för människor. Därför är obemannade flygfarkoster (UAV) en av de mest effektiva djupteknologierna som kan användas för att mildra effekterna av en jordbävning.

Teknologier för att mildra effekterna av jordbävningar (forts.)

• 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.
• The main components of a UAV system are:
• the flight controller unit that controls the rotors based on the inputs of different sensors
• the remote controller that manually sends information to the flight controller unit in order to conduct manual movements based on the inputs of the user
• the absolute positioning system which is responsible to know accurately where the UAV is located to correct sensors deviations
• UAV ground control stations that are developed to automate the process of managing and monitoring the UAV operation and assist in fulfiling the goal of the mission by utilizing the potential of UAVs

Teknologier för att mildra effekterna av jordbävningar (forts.)

• UAV:er kan tillhandahålla flera funktioner, såsom att samla in och tillhandahålla information för att bedöma omfattningen av en katastrof, erbjuda visuella hjälpmedel till räddningspersonal (t.ex. tillhandahålla information om säkra eller osäkra platser, söka efter saknade personer, tillhandahålla information om möjliga faror etc.).

• De kan till exempel inspektera området och söka efter och rädda människors liv under spillrorna efter en jordbävning, under raserade byggnader.

• En sök- och räddningsinsats inleds för att inspektera området och söka efter skadade civila, antingen med hjälp av en enda UAV eller en svärm av UAV:er.

Sök- och räddningsinsatser med hjälp av UAV:er

05 Framtida inriktning

Framtida inriktning

• Förutseende teknologier för mer precisa varningar

• Innovationer inom autonoma räddningsinsatser

• Användning av AI och mer träningsdata för mer exakta prognoser

06 Bedömning

00:30

1/10

00:30

2/10

00:30

3/10

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

Diskussionsaktivitet (~90 minuter)

• https://create.kahoot.it/share/prevent-earthquakes/40f05041-aeac-42e8-bdcf-6ba7bb2d6516
• Teman för diskussion:
• Huvudfråga: Hur kan avancerad teknologi ytterligare förbättra katastrofhanteringen?
• AI och maskininlärning vid katastrofprognoser och katastrofhantering
• Rollen av IoT i katastrofhantering
• Smart infrastruktur och katastroftåliga städer
• Satellitteknologi och fjärranalys för katastrofövervakning
• Instruktioner:
• Brainstorma i grupper och dela med er av era idéer.
• Avsätt 30 minuter för diskussion.
• Förbered en kort presentation på 5 minuter för att presentera dina idéer i klassen (60 minuter).

Kursen är klar!