'به‌نظر کمی دیوانه‌وار می‌آمد': چگونه نوسانات در جو بالایی در زمان واقعی به‌دانشمندان هشدار سونامی داد
سونامی‌ها به سختی در اقیانوس باز، هنگامی که به سمت ساحل می‌شتابند، قابل مشاهده‌اند. اما در تابستان ۲۰۲۵، دانشمندان یک سونامی را همان‌لحظه‌ای که رخ می‌داد، مشاهده کردند.
این زلزله، قدرتمندترین زلزله‌ای بود که در تقریباً پانزده سال اخیر مشاهده شده بود. در ژوئیه ۲۰۲۵، زلزله‌ای با مقیاس ۸٫۸ در سواحل شرقی دور از شبه‌جزیرهٔ کامچاتکا در روسیه رخ داد که نه تنها سونامی را به وجود آورد، بلکه امواجی با سرعت بیش از ۴۰۰ مایل بر ساعت (۶۴۴ کیلومتر بر ساعت) به سمت بیرون شتافتند. در عرض چند دقیقه، هشدارهایی در جوامع اطراف اقیانوس آرام به صدا درآمد.
در ساعات پرتنش پس از زلزله، به میلیون‌ها نفر دستور تخلیه داده شد؛ تنها در ژاپن حداقل دو میلیون نفر مجبور به ترک محل‌های خود شدند. اما همان‌طور که موج در سراسر اقیانوس پخش شد، نه تنها ترس ایجاد کرد، بلکه این موج امواج کوچکی در جو زمین را به وجود آورد.
حرکت بالا و پایین اقیانوس در چنین مساحتی وسیع، جو بالایی را مختل می‌کرد و سیگنال‌های ناوبری ماهواره‌ای جهانی را به‌هم می‌زد. این اختلال به دانشمندان این امکان را داد تا سونامی را تقریباً به‌صورت لحظه‌ای شناسایی کنند.
به‌طور کاملاً تصادفی، یک روز پیش، سازمان فضایی ایالات متحده (ناسا) یک مؤلفه هوش مصنوعی به سامانه هشدار بحران به نام «Guardian» اضافه کرد تا به‌صورت خودکار حوادث بزرگ را به دانشمندان اعلام کند. حدود ۲۰ دقیقه پس از زلزلهٔ کامچاتکا، نظارگان سونامی از حرکت امواج به سمت هاوایی با فاصلهٔ ۳۰ تا ۴۰ دقیقه پیش از رسیدن آن‌ها، آگاه شدند.
خوشبختانه، ترس‌های مربوط به خسارت‌های گستردهٔ سونامی در این بار تحقق نیافت. امواجی که به هاوایی رسیدند، حداکثر ۵ فوت (۱٫۷ متر) ارتفاع داشتند و تنها باعث سیلاب‌های جزئی و بدون آسیب جدی شدند. بیشتر انرژی سونامی در اقیانوس باز از بین رفت؛ بزرگ‌ترین امواج به مناطق غیرمسکونی برخورد کردند. اما اگر وضعیت وخیم‌تر می‌بود، این چند دقیقهٔ اضافی هشدار می‌توانستند حیاتی باشند.
این اتفاق ثابت کرد که ناسا سیستمی دارد که در صورت وجود شرایط مناسب، می‌تواند سونامی را پیش از رسیدن آن به سواحل بسیار زود شناسایی کند — تنها از طریق شنیدن سیگنال‌های رادیویی‌ای که ماهواره‌های ناوبری جهانی برای ارتباط با ایستگاه‌های زمینی ارسال می‌کنند. همین روش می‌تواند فوران‌های آتشفشانی، پرتاب موشک‌ها و تست‌های زیرزمینی سلاح‌های هسته‌ای را نیز شناسایی کند.
'آن‌ها توانستند تقریباً در زمان واقعی بگویند: 'سونامی وجود دارد'," می‌گوید جفری اندرسون، دانشمند داده در مرکز ملی پژوهش‌های جوی آمریکا که به توسعهٔ سامانهٔ Guardian کمک کرده است. اندرسون می‌پذیرد که سال‌ها پیش، زمانی که برای اولین بار دربارهٔ پیشنهادهای این فناوری شنید — که بعدها در توسعهٔ آن مشارکت کرد — فکر می‌کرد این ایده «کمی دیوانه‌وار» به نظر می‌رسید.
ایدهٔ استفاده از سیگنال‌های رادیویی بین گیرنده‌های زمینی و ماهواره‌ها برای تشخیص سونامی در زمان تقریباً حقیقی، چندین دهه است که مطرح است. تعدادی مقاله علمی در دههٔ ۷۰ میلادی به‌طور اصولی به چنین سیستمی پرداخته بودند، اما تنها در سال‌های ۲۰۲۰ این ایده با ظهور Guardian به واقعیت پیوست. در سال ۲۰۲۲، اندرسون و همکارانش از آزمایشگاه پرتاب جت ناسا در کالیفرنیا، مطالعه‌ای منتشر کردند که جزئیات کلیدی این سیستم را معرفی می‌کرد.
دلیل توانایی سیگنال‌های ماهواره‌های ناوبری برای ثبت سونامی این است که حرکت بالا‑و‑پایین دریا باعث چنین پدیده‌ای می‌شود. وقتی سونامی در اقیانوس باز شکل می‌گیرد، امواج آن ممکن است ارتفاعی کم داشته باشد — شاید بین ۱۰ تا ۵۰ سانتی‌متر (۴ تا ۲۰ اینچ). «در حالی که در اقیانوس باز در حال حرکت است، تقریباً نامرئی است»، می‌گوید یو سینتیا وُ، پژوهشگر مهندسی دریایی در دانشگاه میشیگان که در دینامیک امواج اقیانوسی تخصص دارد.
این نوسان، با این حال، در مقیاسی عظیم رخ می‌دهد؛ در یک لحظه مقادیر بسیار بزرگی از آب جابه‌جا می‌شود. این حرکت، هوای بالای آب را جابه‌جا کرده و جو را در سطوح بالاتر مختل می‌کند؛ در نتیجه، امواجی در لایهٔ ذرات باردار که لایهٔ یونوسفر را در ارتفاع حدود ۳۰ تا ۱۹۰ مایل (۴۸ تا ۳۰۰ کیلومتر) بالای سطح زمین تشکیل می‌دهد، ایجاد می‌شود. این امواج تعداد الکترون‌های موجود در بخش‌هایی از یونوسفر را تغییر می‌دهند.
«واکنش‌های یونیک دارید، دماها را تغییر می‌دهید، همه چیز از حالت تعادل خود خارج می‌شود»، می‌گوید مایکل هیکی، استاد بازنشستهٔ فیزیک در دانشگاه ایمبری‑رایدل ایروناوتیکال دیتونا بیچ، فلوریدا، که به مطالعهٔ این امواج جوی پرداخته است.
ماهواره‌های ناوبری از دو فرکانس برای ارتباط با ایستگاه‌های زمینی استفاده می‌کنند؛ بنابراین افزایش تعداد الکترون‌ها در یونوسفر می‌تواند تأخیرهای غیرمعمولی در زمان دریافت این دو سیگنال ایجاد کند. با اندازه‌گیری این تأخیرها، سامانه‌هایی مانند Guardian می‌توانند تشخیص دهند که آیا پدیدهٔ عجیبی در یونوسفر رخ داده است یا خیر.
ردیابی جوی امید می‌دهد که سامانه‌ای مانند Guardian بتواند سونامی‌ها را همان‌طور که در اقیانوس باز ظاهر می‌شوند، شناسایی کند
مهندسان GPS پیش از این می‌دانستند که سیگنال‌ها به این شکل مختل می‌شوند — برای حفظ دقت سامانه‌های ناوبری مجبورند این «نویز» را جبران کنند. اما دانشمندان زمین فهمیدند که می‌توان از تمام این نویز برای شناسایی سونامی‌ها بهره برد.
"افراد هوشمند که از چارچوب خارج فکر می‌کنند" می‌گوید اندرسون.
در سال‌های اخیر، پژوهشگران توانستند اثرهای سونامی و آتوشکان‌ها را در داده‌های یونوسفر مشاهده کنند. هیکی و همکارانش به‌صورت بازنگری تأثیر زلزلهٔ ۹٫۱ مقیاس که در ساحل شمال‑شرق ژاپن در سال ۲۰۱۱ رخ داد و سونامی ایجاد کرد را بررسی کردند. «ما حلقه‌ها را دیدیم»، هیکی به یاد می‌آورد؛ اشاره‌ای به امواج عظیم گسترش‌پذیر در یونوسفر بالای ژاپن که با استفاده از داده‌های شمارش الکترون‌ها قابل تجسم بود.
انفجار عظیم آتشفشانی در تونگا در سال ۲۰۲۲ نیز تأثیر قابل‌توجهی بر یونوسفر گذاشت که بعدها علممندان به‌طور دقیق آن را تجزیه و تحلیل کردند.
تا پیش از زلزلهٔ کامچاتکا در سال جاری، هیچ سونامی بزرگی با استفاده از چنین روش‌هایی به‌صورت زمان واقعی ردیابی نشده بود. اگرچه پیش‌بینی‌های سونامی با استفاده از سامانه DART سازمان NOAA که از بوای‌های ثابت در کف اقیانوس بهره می‌برد، تولید شد، اما سامانه Guardian امکان پیگیری امواج را همان‌طور که اتفاق می‌افتاد، فراهم کرد.
ردیابی جوی امید دارد که سامانه‌ای مانند Guardian بتواند سونامی‌ها را در زمان ظهورشان در اقیانوس باز، پیش از اینکه به ارتفاعات عظیم برسند و به سواحل بخورند، شناسایی کند. این می‌تواند به جوامع هشدارهای پیش‌دوره‌ای دقیق‌تری از آنچه در مسیرشان قرار دارد ارائه دهد، و در عین حال از هشدارهای نادرست جلوگیری کند.
همچنین این فناوری می‌تواند برای سایر پدیده‌ها به‌جز زلزله‌ها و آتشفشان‌ها به کار رود. حتی می‌تواند به شناسایی انفجارهای هسته‌ای کمک کند. به‌عنوان مثال، امواج در یونوسفر به تأیید اینکه آزمایش‌های زیرزمینی سلاح‌های هسته‌ای توسط کره شمالی در سال ۲۰۰۹ انجام شده است، کمک کرده‌اند.
تا به امروز، شبکه‌های نظارت بر سونامی بر سيسمومترهایی که زلزله‌های سراسر جهان را تجزیه و تحلیل می‌کنند و بوای‌های اقیانوسی که به دنبال تغییرات ناگهانی ارتفاع امواج می‌گردند، تکیه داشته‌اند. اما این ابزارها تصویری جامع و فوری همانند داده‌های یونوسفر ارائه نمی‌دهند. «دقایق برای تخلیه سونامی واقعاً اهمیت دارد، بنابراین تشخیص‌های اولیهٔ Guardian به‌نظر من پیشرفت بسیار مهمی برای ایمنی سونامی است»، می‌گوید هارولد توبین، سيسمولوژیست دانشگاه واشنگتن.
اندرسون افزوده می‌کند که نظارت بر یونوسفر به‌جای تنها سيسمومترها، به‌عنوان مثال، می‌تواند یافتن سونامی‌های ناشی از حوادثی مانند رانش‌های خاکی را آسان‌تر کند.
به‌زودی، ممکن است Guardian تنها ابزار این‌چنینی نباشد. «در اروپا، ما در حال توسعهٔ سیستم خودمان هستیم»، می‌گوید البیرا آستافیوا، پژوهشگر ارشد زمین‌فیزیک و علوم فضایی در مؤسسه فیزیک سیاره‌ای پاریس. او و همکارانش امیدوارند در سال‌های آینده سیستم اروپایی خود را آزمایش کنند و این ابزار می‌تواند در نهایت به نظارت بر مناطق گسترده، از جمله اقیانوس هند که فرانسه در آن دارای مستعمرات است، کمک کند.
هیکی می‌گوید که می‌توان سونامی‌ها را از طریق نور هوا (airglow) که انتشار ضعیفی از نور در جو است و توسط ناآرامی‌های بزرگ جوی تحت تأثیر قرار می‌گیرد، شناسایی کرد.
هنوز برخی محدودیت‌ها وجود دارد. دیئگو ملگر، کارشناس زلزله‌ها، سونامی‌ها و سیستم‌های هشداردهی زودهنگام در دانشگاه اوریگون می‌گوید یونوسفر «برای واکنش به سونامی، از چند دقیقه تا ده‌ها دقیقه زمان می‌برد». برای جوامعی که به مرکز سونامی نزدیک هستند، این زمان هنوز بسیار طولانی است. «بنابراین برای هشدارهای محلی، این تأخیر باعث می‌شود سیگنال‌های یونوسفر برای کمک دیر برسند».
با این حال، امواج بزرگ سونامی می‌توانند تمام حوضه‌های اقیانوسی را عبور کنند. پس از سونامی روز کریسمس ۲۰۰۴ که سواحل اطراف اقیانوس هند را ویران کرد و حدود ۲۲۸٬۰۰۰ نفر را کشته شد، برای رسیدن امواج به سریلانکا از مرکز زلزله در ساحل اندونزی حداکثر دو ساعت طول کشید. این امواج هفت ساعت زمان برد تا به سواحل شرقی برخوردند.
سیستمی‌های نظیر Guardian می‌توانند در صورت وقوع امواج مشابه، هشدارهای اولیهٔ حیاتی به این جوامع دوردست ارائه دهند.
"اگر چیزی قصد داشته باشد به‌طور معقولی در فاصله‌های بزرگ گسترش یابد، بله، این کار می‌تواند جان‌ها را نجات دهد"، می‌گوید هیکی.
—
برای دریافت اخبار اساسی اقلیمی و پیشرفت‌های امیدبخش در صندوق ایمیل خود، عضو شوید خبرنامه Future Earth، در حالی که The Essential List دستیابی به مجموعه‌ای منتخب از ویژگی‌ها و بینش‌ها را دو بار در هفته فراهم می‌کند.
برای دریافت داستان‌های بیشتر در زمینهٔ علم، فناوری، محیط‌زیست و سلامت از BBC، ما را در Facebook و Instagram .