Tín hiệu trọng lực có thể phát hiện động đất ở tốc độ ánh sáng

Hai phút sau khi mảng kiến tạo lớn nhất thế giới rung chuyển ngoài khơi Nhật Bản, cơ quan khí tượng của nước này đã đưa ra cảnh báo cuối cùng cho khoảng 50 triệu cư dân: Một trận động đất đã tạo ra sóng thần tiến vào bờ. Nhưng phải đến vài giờ sau khi sóng ập đến, các chuyên gia mới đánh giá được kích thước thực của trận động đất Tohoku ngày 11 tháng 3 năm 2011.

Và thực tế, trận động đất này đã đạt đến cường độ 9 độ richter - giải phóng lượng năng lượng lớn hơn 22 lần so với dự đoán của các chuyên gia và khiến ít nhất 18.000 người chết.

Sóng trọng lực (gravity wave): Là một trường hợp của sóng hấp dẫn ở một hành tinh, các dao động làm thay đổi môi trường ở đó. Các sóng trọng lực mà chúng ta có thể thấy bằng mắt thường là sóng trên biển, hồ, thủy triều, sóng thần, gió thổi trên một ngọn núi, sóng trên các đám mây... được tạo ra khi khí quyển hoặc mặt hồ, mặt biển bị xáo trộn.

Tuy nhiên, tới thời điểm hiện tại các nhà khoa học đã tìm ra cách để ước tính kích thước của các trận động đất một cách chính xác hơn, nhanh hơn, thông qua việc sử dụng các thuật toán máy tính để xác định sự trấn động từ sóng hấp với tốc độ ánh sáng.

Richard Allen, nhà địa chấn học tại Đại học California, Berkeley, người không tham gia nghiên cứu, cho biết: "Đây là một cách hoàn toàn mới để nhận biết các trận động đất có cường độ lớn. Nếu chúng tôi triển khai thuật toán này, chúng tôi sẽ có thêm căn cứ để xác định mức độ của trận động đất, đồng thời đẩy cảnh báo đến các khu vực chịu ảnh hưởng nhanh hơn, chính xác hơn".

Các nhà khoa học thường phát hiện động đất bằng cách theo dõi các rung động mặt đất, hoặc sóng địa chấn, với các thiết bị gọi là máy đo địa chấn. Tuy nhiên các tín hiệu cảnh báo mà họ có thể cung cấp lại phụ thuộc vào khoảng cách giữa trận động đất và các máy đo địa chấn. Trong khi đó, các mạng lưới cảnh báo ở Nhật Bản, Mexico và California chỉ có thể hoạt động tốt đối với các chấn động địa chất tương đối nhỏ. Và khi những trận động đất vượt quá 7 độ richter, sóng động đất có thể làm bão hòa các máy đo địa chấn. Điều này khiến cho việc phát hiện và cảnh báo những trận động đất lớn như trận động đất Tohoku của Nhật Bản sẽ không được chính xác.

Trận động đất Tohoku xảy ra vào tháng 3/2011 được ghi nhận là trận động đất lớn nhất trong lịch sử nước Nhật. Đây chính là trận động đất gây ra thảm họa sóng thần khổng lồ giết chết hàng ngàn người và sụp đổ 3 lò phản ứng hạt nhân của nhà máy điện Fukushima Daiichi.

Gần đây, các nhà nghiên cứu tham gia tìm kiếm sóng hấp dẫn - những gợn sóng trong không-thời gian được tạo ra bởi sự chuyển động của các vật thể khối lượng lớn - đã nhận ra rằng những tín hiệu trọng lực đó, truyền với tốc độ ánh sáng, cũng có thể được sử dụng để theo dõi các trận động đất.

Bernard Whiting, một nhà vật lý tại Đại học Florida, người đã làm việc trên Đài quan sát sóng hấp dẫn của Giao thoa kế Laser cho biết: "Ý tưởng là ngay khi khối lượng di chuyển đến bất kỳ đâu, trường hấp dẫn sẽ thay đổi và… mọi thứ đều có thể cảm nhận được. Điều đáng kinh ngạc là tín hiệu sẽ hiện diện ngay cả trong máy đo địa chấn".

Vào năm 2016, Whiting và các đồng nghiệp của ông đã báo cáo rằng các máy đo địa chấn thông thường có thể phát hiện ra các tín hiệu trọng lực này. Động đất dẫn đến sự thay đổi lớn về khối lượng; những sự dịch chuyển đó tạo ra hiệu ứng hấp dẫn làm biến dạng cả trường hấp dẫn hiện có và mặt đất bên dưới máy đo địa chấn. Bằng cách đo lường sự khác biệt giữa hai hệ thống này, các nhà khoa học kết luận rằng họ có thể tạo ra một loại hệ thống cảnh báo sớm động đất mới.

"Các tín hiệu hấp dẫn hiển thị trên các máy đo địa chấn trước khi xuất hiện các sóng địa chấn đầu tiên. Bằng cách kết hợp các tín hiệu từ hàng chục máy đo địa chấn với nhau, các nhà khoa học có thể xác định các mẫu để giải thích kích thước và vị trí của các sự kiện lớn", Whiting nói.

Ở thời điểm hiện tại, mô hình và phương pháp này sẽ không phát huy được tác dụng đối với các trận động đất có cường độ dưới 8,3 độ richter. Vì dưới ngưỡng này thì sóng trọng lực quá yếu so với sóng địa chấn nên việc nhận ra nó sẽ khó khăn hơn.

Giờ đây, Andrea Licciardi, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Đại học Côte d'Azur, và các đồng nghiệp của ông đã xây dựng một thuật toán học máy để thực hiện việc nhận dạng mẫu đó. Họ đã huấn luyện mô hình trên hàng trăm nghìn trận động đất mô phỏng trước khi thử nghiệm trên bộ dữ liệu thực từ trận động đất Tohoku. Mô hình sau đó đã dự đoán chính xác cường độ của trận động đất trong khoảng 50 giây — nhanh hơn rất nhiều so với các hệ thống cảnh báo sớm hiện đại khác.

Tín hiệu trọng lực quá yếu để phát hiện các trận động đất nhỏ hơn 8,3 độ richter với công nghệ hiện tại và hệ thống không có khả năng cung cấp nhiều cảnh báo trước trong các khu vực động đất đã được bao phủ bởi các máy đo địa chấn. Nhưng nó có thể cung cấp các ước tính về kích thước đáng tin cậy hơn về các trận động đất có cường độ lớn, điều này rất quan trọng, đặc biệt là để dự đoán sóng thần, thường mất thêm 10 hoặc 15 phút để xuất hiện.

Với kỹ thuật này, các nhà địa chấn học ở Nhật Bản có thể xác định chính xác cường độ của các trận động nhất như Tohoku và đưa ra cảnh báo thích hợp.

Tuy nhiên, ở thời điểm hiện tại, mô hình và thuật toán này vẫn chưa được sử dụng phổ biến. Chủ yếu nó được thiết lập để triển khai ở Nhật Bản - nhưng chỉ đối với các trận động đất do một vùng đứt gãy cụ thể tạo ra có khả năng tạo ra "những trận động đất lớn". Ngoài ra, thuật toán này cần được đào tạo riêng để sử dụng ở các khu vực khác nhau vì nó mới chỉ đang ở thế hệ đầu tiên, và chưa tương thích với những khu vực đang có nhu cầu sử dụng khác.

Cập nhật: 17/05/2022 Tiền Phong