Αυτό το έξυπνο μαθηματικό κόλπο θα μπορούσε να αλλάξει τον τρόπο με τον οποίο οι επιστήμονες μελετούν τους σεισμούς
Ένα έξυπνο μαθηματικό κόλπο θα μπορούσε να αλλάξει τον τρόπο με τον οποίο οι επιστήμονες μελετούν τους σεισμούς. Φωτογραφία: Freepik
Οι σεισμοί μπορεί να είναι απρόβλεπτοι, αλλά οι επιπτώσεις τους δεν είναι εντελώς μυστηριώδεις. Νέες τεχνικές μοντελοποίησης προσφέρουν μια σαφέστερη εικόνα κάτω από την επιφάνεια. Το Σάββατο 6 Δεκεμβρίου 2025, ένας σεισμός μεγέθους 7,0 βαθμών έπληξε την Αλάσκα. Γεγονότα αυτού του μεγέθους είναι σχετικά σπάνια, αλλά μικρότεροι σεισμοί συμβαίνουν συνεχώς σε όλο τον κόσμο.
Το Γεωλογικό Ινστιτούτο των Ηνωμένων Πολιτειών (USGS) εκτιμά ότι συμβαίνουν περίπου 55 σεισμοί κάθε μέρα, αριθμός που αθροίζεται σε περίπου 20.000 κάθε χρόνο. Συνήθως, ένας σεισμός ετησίως φτάνει το μέγεθος των 8,0 βαθμών ή και παραπάνω, ενώ περίπου 15 άλλοι κυμαίνονται στην κλίμακα των 7 βαθμών Ρίχτερ, η οποία μετρά τους σεισμούς με βάση την ενέργεια που απελευθερώνουν. Το 2025, για παράδειγμα, ένας υποθαλάσσιος σεισμός μεγέθους 8,8 βαθμών κοντά στη χερσόνησο Καμτσάτκα της Ρωσίας κατατάχθηκε μεταξύ των 10 μεγαλύτερων σεισμών που έχουν καταγραφεί ποτέ, σύμφωνα με το USGS.
Οι συνέπειες των σεισμών μπορεί να είναι σοβαρές, συμπεριλαμβανομένων της απώλειας ζωών, της καταστροφής κτιρίων και υποδομών, καθώς και της εκτεταμένης οικονομικής αναταραχής. Πολλοί άνθρωποι βιώνουν επίσης μακροχρόνιες ψυχολογικές επιπτώσεις ύστερα από έναν μεγάλο σεισμό.
Τα γεγονότα αυτά γίνονται ολοένα και πιο δαπανηρά, σύμφωνα με μια έκθεση του 2023 από το Γεωλογικό Ινστιτούτο των Ηνωμένων Πολιτειών (USGS) και την Ομοσπονδιακή Υπηρεσία Διαχείρισης Εκτάκτων Αναγκών (FEMA), εν μέρει επειδή περισσότεροι άνθρωποι ζουν πλέον σε περιοχές με υψηλό σεισμικό κίνδυνο. Η έκθεση εκτιμά ότι οι σεισμοί κοστίζουν στις Ηνωμένες Πολιτείες περίπου 14,1 δισεκατομμύρια ευρώ ετησίως.
Η ικανότητα να προβλεφθεί το πότε και το πού θα εκδηλωθούν μεγάλοι σεισμοί, καθώς και το πόσο έντονες μπορεί να είναι οι επιπτώσεις τους, θα βελτίωνε σημαντικά την ετοιμότητα και θα μείωνε τις ζημιές. Ωστόσο, παρά τις έρευνες επί δεκαετίες, η αξιόπιστη πρόβλεψη των σεισμών πριν αυτοί συμβούν παραμένει πέρα από τις δυνατότητες της τρέχουσας επιστήμης.
Όμως, η γνώση της μορφής του υπεδάφους μπορεί να βοηθήσει στην καλύτερη αξιολόγηση των κινδύνων, λέει η Kathrin Smetana, Επίκουρη Καθηγήτρια στο Τμήμα Μαθηματικών Επιστημών του Stevens Institute of Technology. «Μπορεί να υπάρχουν στρώματα συμπαγούς πετρώματος ή μπορεί να υπάρχει άμμος ή άργιλος», αναφέρει, και τα κύματα συμπεριφέρονται διαφορετικά σε διαφορετικά υλικά, γεγονός που με τη σειρά του επηρεάζει την κίνηση στην επιφάνεια.
Για την καλύτερη κατανόηση της σύνθεσης αυτού του γεωλογικού στρώματος, οι επιστήμονες εκτελούν ειδικές προσομοιώσεις που ονομάζονται «Αντιστροφή Πλήρους Κυματομορφής» (Full Waveform Inversion), μια τεχνική σεισμικής απεικόνισης που αναπαριστά τη δομή του υπεδάφους. Στη συνέχεια, προσομοιώνουν συνθετικούς σεισμούς, υπολογίζοντας την εξάπλωση των σεισμικών κυμάτων που προκαλούνται από αυτούς στον υπολογιστή, και αξιολογούν τα κύματα αυτά στις τοποθεσίες όπου βρίσκονται εγκατεστημένοι οι σεισμογράφοι στην επιφάνεια.
Αυτές οι αξιολογήσεις συγκρίνονται στη συνέχεια με τα σεισμογραφήματα —τις γραφικές απεικονίσεις των σεισμογράφων και τα οπτικά αρχεία της κίνησης του εδάφους πραγματικών σεισμών. Όταν, έπειτα από πολυάριθμες επαναλήψεις, τα δεδομένα του συνθετικού σεισμού πλησιάζουν τα πραγματικά σεισμικά δεδομένα, οι επιστήμονες αποκτούν μια καλύτερη εικόνα για τη μορφή του υπεδάφους.
Oυσιαστικά, οι επιστήμονες ξεκινούν με την καλύτερη δυνατή εκτίμησή τους για το πώς θα έμοιαζε το υπέδαφος σε μια συγκεκριμένη περιοχή και στη συνέχεια συνεχίζουν να εκτελούν προσομοιώσεις, βελτιώνοντας το μοντέλο σε κάθε επανάληψη, μέχρι αυτό να ταυτιστεί με τα δεδομένα ενός πραγματικού γεγονότος. «Συγκρίνονται τα δεδομένα από την προσομοίωση στον υπολογιστή σας με τα πραγματικά δεδομένα που λαμβάνονται από σεισμούς», λέει η Smetana. «Αυτό μας επιτρέπει να ανακαλύψουμε πώς μοιάζει το υπέδαφος και τι επίδραση έχει ένας σεισμός στη σύσταση του υπεδάφους — και αυτό, τελικά, βοηθά στον προσδιορισμό του κινδύνου για έναν σεισμό σε μια συγκεκριμένη τοποθεσία».
Αυτή η τεχνική είναι καθοριστική για την ανάπτυξη εργαλείων παρακολούθησης και πρόβλεψης, αλλά απαιτεί την εκτέλεση χιλιάδων προσομοιώσεων που χρησιμοποιούν εκατομμύρια παραμέτρους εισαγωγής, κάτι που απαιτεί πολύ χρόνο και εντατική χρήση πόρων. «Με τις υπάρχουσες τεχνικές, μία και μόνο προσομοίωση μπορεί να διαρκέσει αρκετές ώρες σε μια ισχυρή συστοιχία υπολογιστών (computer cluster)», λέει η Smetana. «Η εκτέλεση τόσων πολλών προσομοιώσεων που απαιτούνται για την παρακολούθηση μπορεί να είναι απαγορευτικά ακριβή».
Για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος, η Smetana συνεργάζεται με τους υπολογιστικούς σεισμολόγους Rhys Hawkins και Jeannot Trampert από το Τμήμα Επιστημών της Γης του Utrecht University, καθώς και με τους Matthias Schlottbom και Muhammad Hamza Khalid από το Τμήμα Εφαρμοσμένων Μαθηματικών του University of Twente στην Ολλανδία.
Η ομάδα κατάφερε να κατασκευάσει ένα μοντέλο μειωμένης τάξης, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την προσομοίωση σεισμικών κυμάτων που προκαλούνται από έναν σεισμό για διάφορες παραμέτρους, πολύ ταχύτερα από τις υπάρχουσες μεθόδους. «Ουσιαστικά, μειώσαμε το μέγεθος του συστήματος που πρέπει να επιλυθεί περίπου 1.000 φορές», αναφέρει η Smetana.
«Ήταν ένα άκρως διεπιστημονικό έργο και βρήκαμε έναν έξυπνο τρόπο να κατασκευάσουμε αυτό το μοντέλο διατηρώντας παράλληλα την ακρίβεια της πρόβλεψης. Απολαμβάνω πραγματικά τις διεπιστημονικές συνεργασίες και τη συγκεκριμένη ιδιαίτερα, επειδή μαθαίνεις να βλέπεις τα πράγματα με μια νέα προοπτική, γεγονός που, κατά τη γνώμη μου, βοηθά τελικά στην εξεύρεση δημιουργικών και καινοτόμων προσεγγίσεων για την επίλυση ενός προβλήματος μέσα σε μια διεπιστημονική ομάδα».
Τα ευρήματα της ομάδας περιγράφονται στο άρθρο που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό SIAM Journal on Scientific Computing.
Παρόλο που το μοντέλο της ομάδας δεν μπορεί να προβλέψει πότε θα συμβούν σεισμοί, μπορεί τελικά να χρησιμοποιηθεί για την εκτίμηση του κινδύνου εμφάνισής τους. «Αν έχετε μια καλή εικόνα του υπεδάφους, έχετε καλύτερη δυνατότητα να εκτιμήσετε τον κίνδυνο μελλοντικών σεισμών», εξηγεί η Smetana.
Ένας άλλος τομέας όπου η δουλειά της ομάδας μπορεί ενδεχομένως να φανεί χρήσιμη στο μέλλον είναι η προσομοίωση τσουνάμι, που μπορεί να σχηματιστούν όταν σεισμοί συμβαίνουν κάτω από τη θάλασσα. Ωστόσο, ανάλογα με την τοποθεσία του σεισμού, μπορεί να χρειαστεί τουλάχιστον μία ώρα για να φτάσουν στη στεριά, δίνοντας χρόνο για την εκτέλεση προσομοιώσεων.
Η ύπαρξη ρεαλιστικών εικόνων του υπεδάφους θα επιτρέψει καλύτερη εκτίμηση των κινδύνων από σεισμούς. «Δεν υπάρχει τρόπος να προβλέψουμε σεισμούς αυτή τη στιγμή», λέει η Smetana. «Αλλά η δουλειά μας μπορεί να βοηθήσει στη δημιουργία μιας ρεαλιστικής εικόνας του υπεδάφους με λιγότερη υπολογιστική ισχύ, κάτι που καθιστά τα μοντέλα μας πιο πρακτικά και μας βοηθά να είμαστε πιο ανθεκτικοί στους σεισμούς.»