Một nhóm nhà khoa học thuộc Đại học Sapienza tại Rome, Italia và Phòng thí nghiệm động cơ phản lực của NASA tại Pasadena, California (JPL) đã phát triển một phương pháp mới để hỗ trợ cho sự phát triển liên tục của “Hệ thống phát hiện sóng thần kịp thời” dựa trên các phép đo những nhiễu loạn do sóng thần gây ra đối với một phần khí quyển của Trái Đất.
Cách tiếp cận mới này gọi là Cách tiếp cận biến số với quan sát tầng điện ly ở thời gian thực, hay VARION. Cách này sử dụng các quan sát từ GPS và những hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu khác (GNSS) để phát hiện những nhiễu loạn của tầng điện ly Trái Đất tương ứng với một cơn sóng thần. Tầng điện ly là lớp khí quyển của Trái Đất nằm từ khoảng 50 đến 621 dặm (80 đến 1.000 km) tính từ bề mặt Trái Đất. Nó được ion hóa bởi bức xạ từ Mặt Trời và vũ trụ và được biết đến nhiều nhất qua hiện tượng Bắc cực quang và Nam cực quang.
Khi một cơn sóng thần hình thành và di chuyển trên đại dương thì đỉnh và đáy các sóng của nó sẽ thay phiên nén và kéo giãn không khí trên nó, tạo nên những chuyển động trong bầu khí quyển và được gọi là sóng trọng lực nội bộ. Sự nhấp nhô của sóng trọng lực được khuếch đại khi nó đi lên đến tầng khí quyển mỏng trên cao (càng lên cao không khí càng loãng). Khi những làn sóng này đạt tới độ cao từ 186 đến 217 dặm (300 đến 350 km) thì chúng sẽ gây ra những thay đổi có thể phát hiện được về mật độ electron trong tầng điện ly. Những thay đổi này có thể đo được khi tín hiện GNSS (ví dụ như tín hiệu GPS) đi qua những nhiễu loạn do sóng thần gây ra.
VARION được thiết kế dưới sự lãnh đạo của Mattia Crespi ở Đại học Sapienza. Tác giả chính của thuật toán là Giorgio Savastano – một nghiên cứu sinh chuyên ngành trắc địa và địa toán tại Sapienza và một nhân viên liên kết tại JPL. Họ đã tiến hành phát triển xa hơn và xác nhận độ chính xác của thuật toán. Công trình này được phác thảo gần đây trong một nghiên cứu tài trợ bởi Sapienza và NASA được công bố trên Scientific Reports của Nature.
Vào năm 2015, Savastano được trao một học bổng bởi Hội đồng kỹ sư quốc gia (CNI) và Quỹ khoa học và học giả Italia tại Bắc Mỹ (ISSNAF). Học bổng này là một chuyến thực tập 2 tháng tại JPL – nơi ông tham gia Nhóm viễn thám khí quyển và tầng điện ly dưới sự giám sát của Attila Komjathy và Anthony Mannucci.
“VARION là một đóng góp mới lạ cho hệ thống tích hợp cảnh báo sớm sóng thần trong tương lai”, Savastano nói. ”Chúng tôi đang kết hợp những thuật toán vào Hệ thống sai số GPS toàn cầu của JPL. Nó sẽ cung cấp các truy cập thời gian thực cho dữ liệu từ khoảng 230 trạm GNSS trên toàn thế giới - những nơi thu thập đữ liệu từ nhiều hệ thống vệ tinh gồm GPS, Galileo, GLONASS và BeiDou”. Vì những con sóng thần lớn không xuất hiện thường xuyên, việc sử dụng VARION bằng cách dùng nhiều dữ liệu thời gian thực sẽ giúp kiểm nhận các thuật toán và các nghiên cứu trước về phương pháp phát hiện sóng thần.
Savastano cho biết VARION có thể được đưa vào những nghiên cứu để thiết kế những hệ thống phát hiện sóng thần kịp thời trong đó sử dụng dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau bao gồm máy đo địa chấn, phao tiêu trên biển, trạm thu GNSS và những cảm biến áp suất đáy đại dương.
Xác định thời gian thực của các nhiễu loạn của tầng điện ly gây ra bởi trận sóng thần tại quần đảo Queen Charlotte ngoài khơi bờ biển British Columbia, Canada bằng cách sử dụng các thuật toán VARION.
Credits: Sapienza University/NASA-JPL/Caltech
Khi một trận động đất được phát hiện ở một địa điểm cụ thể, một thệ thống có thể bắt đầu xử lý các phép đo thời gian thực về sự phân bố các electron trong tầng điện ly từ nhiều trạm trên mặt đất nằm gần tâm chấn. Việc tìm kiếm những sự thay đổi này có thể liên quan đến sự hình thành được dự đoán trước của một cơn sóng thần. Các phép đo sẽ được thu thập và xử lý bởi một cơ quan xử lý trung tâm nhằm cung cấp các đánh giá rủi ro và bản đồ của các sự kiện động đất riêng biệt. Việc sử dụng nhiều loại dữ liệu độc lập được kỳ vọng sẽ đóng góp thêm cho độ chính xác của hệ thống.
“Chúng tôi hi vọng sẽ cho mọi người thấy sự khả thi của việc sử dụng các phép đo tầng điện ly để phát hiện sóng thần trước khi chúng tác động lên các khu vực có dân cư”, Komjathy nói. “Phương pháp tiếp cận này sẽ mang lại thêm thông tin cho hệ thống hiện có và bổ sung cho những cách tiếp cận khác. Các mối nguy hiểm khác cũng có thể được xác định bằng cách sử dụng hệ thống quan sát tầng điện ly thời gian thực, nó bao gồm cả sự phun trào núi lửa hay các thiên thạch.”
Quan sát tầng điện ly xem xem thời tiết ở mặt đất phía dưới nó liên kết ra sao với không gian phía trên tiếp tục là một tiêu điểm quan trọng đối với NASA. Hai sứ mệnh mới là vệ tinh Ionospheric Connection Explorer và Global-scale Observations of the Limb and Disk đã được lên kế hoạch phóng lên vào đầu năm 2018 để quan sát tầng điện ly với mục tiêu cuối cùng là phát triển các mô hình để bảo vệ con người trên mặt đất cũng như các vệ tinh ngoài không gian.
Mỹ Linh
Theo NASA
