Сибирские ученые создали технологию для мгновенного прогнозирования цунами
Ученые из Сибирского отделения РАН разработали уникальный инструмент, позволяющий в считанные минуты рассчитать распространение волны цунами после землетрясения. Разработка, представленная в журнале , может стать прорывом в системах раннего предупреждения о катастрофических волнах, особенно в прибрежных зонах Дальнего Востока и Японии.
Суперкомпьютерная мощность в обычном ПК
Специалисты Института автоматики и электрометрии СО РАН (ИАиЭ СО РАН) совместно с коллегами из Института вычислительной математики и математической геофизики СО РАН (ИВМиМГ СО РАН) создали сопроцессор на базе программируемой логической матрицы (FPGA), который превращает обычный персональный компьютер в мощный вычислительный инструмент. По словам исследователей, их решение по скорости сопоставимо с суперкомпьютерными расчетами, но при этом гораздо доступнее и энергоэффективнее.
«Если в запасе много времени, можно привлекать суперкомпьютеры и проводить детальные расчеты. Но когда очаг землетрясения находится близко к суше — как у побережья Камчатки, Сахалина, Курильских островов или Японии — волна может достичь берега всего за 25–30 минут. В таких условиях критически важна скорость расчетов», — поясняет доктор физико-математических наук Михаил Лаврентьев, заведующий лабораторией программных систем машинной графики ИАиЭ СО РАН.
Как это работает?
При землетрясении геофизические службы фиксируют два ключевых параметра: координаты эпицентра и магнитуду. Однако даже при одинаковой магнитуде одни подземные толчки вызывают разрушительные цунами, а другие — нет. Все зависит от рельефа морского дна и характера возмущения воды.
Для точного прогнозирования ученые используют данные с глубоководных датчиков, измеряющих высоту водного столба с точностью до 1 сантиметра. Большая часть таких датчиков установлена у берегов Японии, где уже накоплена обширная база исторических данных.
«Мы научились по профилю волны приблизительно определять форму возмущения в источнике цунами. Погрешность в 10% допустима — разница между волной в 2 метра и 2,2 метра не критична, а волны в 20 и 22 метра одинаково опасны», — отмечает Лаврентьев.
Экономия времени и ресурсов
Одна из главных проблем — задержка данных. Волны цунами движутся медленнее, чем сейсмические волны в земной коре (волны Рэлея). Однако при правильном расположении датчиков уже через 10 минут после землетрясения можно зафиксировать цунами и начать расчеты.
Разработанный сибирскими учеными аппаратный ускоритель позволяет на обычном ПК за 25 минут просчитать движение волны через весь Тихий океан с шагом сетки в 1 географическую минуту. Это означает, что большинство расчетов можно проводить на персональных компьютерах, задействуя суперкомпьютеры только для уточнения угрожающих сценариев.
«После землетрясения в Японии в 2011 году, которое привело к аварии на "Фукусиме-1", электроснабжение было частично нарушено. Суперкомпьютеры стали недоступны, а ПК с нашим сопроцессором мог бы работать от источника бесперебойного питания», — подчеркивает Лаврентьев.
Перспективы: автономная система предупреждения
Сейчас ученые работают над улучшением технологии:
- Точность начального возмущения — как точнее определить форму волны в источнике.
- Расчет зон затопления — поиск баланса между скоростью и точностью.
- Автономность — система должна самостоятельно мониторить данные сейсмодатчиков и запускать расчеты при угрозе цунами.
- Устойчивость к сбоям — даже при выходе из строя 1–2 датчиков система должна сохранять работоспособность.
Кроме того, исследователи обнаружили, что не обязательно ждать прохождения всей волны — достаточно 35 секунд данных (вместо 2 минут), чтобы оценить ее амплитуду.
Цель — спасти жизни
Главная задача — не просто предсказать цунами, но и определить, какие именно участки побережья окажутся под ударом.
«Высота волны у берега может сильно различаться. Если опасный участок не заселен, тревогу можно не объявлять. Но если там есть люди или предприятия, у них должно быть хотя бы несколько минут, чтобы эвакуироваться», — говорит Лаврентьев.
Хотя до полноценной системы еще далеко, первые шаги показали: быстрое и точное прогнозирование цунами возможно. В будущем эта технология может стать основой для глобальной системы раннего предупреждения, способной спасти тысячи жизней.