Y ORIGEN DE TSUNAMI BASADO EN DATOS GPS

• El sistema NASA / JPL GDGPS procesa datos en tiempo real de más de 200 sitios de rastreo distribuidos globalmente. • Las redes del marco de referencia de Asia y el Pacífico. • Contribución de COCONet a los GTEWS del Caribe.

2.3.4 MÉTODO DE SONG PARA LA DETERMINACIÓN DE

ESCALAS Y ORIGEN DE TSUNAMI BASADO EN DATOS

GPS

El método basado en la magnitud del terremoto a partir de la información sísmica que se había usado habitualmente para las alertas tempranas no es ideal para predecir potenciales eventos de tsunami debido a que suelen tardar demasiado tiempo y a su alta tasa de falsas alarmas. La clave para una predicción exitosa del tsunami es la detección temprana de las escalas de tsunami (Song, 2007).

Según Song (2007), este método se basa en un enfoque innovador que determina las escalas de tsunami directamente a partir de las mediciones de desplazamiento GPS. Para lo cual se calcula la energía de la fuente del tsunami directamente a partir de los movimientos del fondo marino, ya que el potencial o la escala del tsunami, tiene que ser proporcional a la energía de origen. Por lo tanto, esta es una forma adecuada de identificar los terremotos que son capaces de desencadenar tsunamis y los que solo generan falsas alarmas (Song, 2007).

Según Song (2007), el método basado en GPS se puede resumir en los siguientes pasos:

1. Localizar un epicentro sísmico a partir de sismómetros (disponible en línea unos minutos después de un terremoto inicial). 2. Recoger desplazamientos GPS cerca del campo y derivar los movimientos del fondo marino (unos minutos más de tiempo pueden ser necesarios). 3. Calcular la energía de la fuente y escala de tsunami basadas en los movimientos del fondo marino derivados del GPS y la topografía local instantáneamente.

4. Si la energía oceánica es mayor que un umbral, se puede emitir una advertencia inicial.

Estos pasos son alcanzables pocos minutos después de un terremoto. Un período tan corto es crítico para alertar regiones costeras cercanas porque los picos del tsunami pueden cruzar un margen oceánico típico de unos 100 km en 30 minutos (Song, 2007).

DATOS GPS

Los receptores GPS y otros instrumentos similares pueden medir en tiempo real los movimientos del suelo una vez cada pocos segundos (Song, 2007).

Los terremotos terrestres gigantes a menudo ocurren cuando grandes placas oceánicas debajo de los márgenes continentales producen un desplazamiento lateral significativo de las laderas, que son detectables en las zonas costeras cercanas al campo por estas estaciones GPS continuas (Song, 2007).

Para demostrar esta metodología sobre los tsunamis sísmicos reales, se examinaron tres tsunamis históricos que tienen mediciones GPS bien documentadas y observaciones de tsunamis. El primer caso de prueba es el evento Sumatra de 2004. El segundo caso es el terremoto de Alaska de 1964 y el tercer caso es el terremoto de Nias de 2005 (Song, 2007).

CÁLCULO DE DESPLAZAMIENTOS DERIVADOS DEL FONDO MARINO

Es importante mencionar que las estaciones GPS sólo miden los movimientos terrestres cercanos al campo de fallas, no los movimientos submarinos que generan tsunamis. Para la predicción del tsunami, sólo se necesitan los desplazamientos del fondo marino, los cuales se pueden proyectar o extrapolar desde las mediciones GPS de campo más cercano a la falla (Song, 2007).

Según Song (2007), basándose en los datos GPS (componente: norte, este y posición vertical) y los datos invertidos sísmicamente, se desarrolló un modelo empírico de extrapolación para proyectar los desplazamientos del fondo marino y se describe a continuación:

Sean (ΔEj, ΔNj) los desplazamientos GPS de campo cercano (desplazamientos horizontales) en la dirección este y hacia el norte, respectivamente, donde Δ representa un pequeño incremento. El subíndice j representa sólo a las estaciones GPS más cercanas a lo largo de la costa (paralela a la línea de falla). Para cada estación j, se identifica una sección transversal a través de la estación, generalmente perpendicular a la falla. Los desplazamientos del fondo marino a lo largo de la sección transversal se modelan para seguir un perfil empírico hasta la falla:

Donde: (1)

(2)

(3)

; r es la distancia normalizada de tal manera que r = 0 en la línea de falla y

r = rj en la estación GPS jth, d es la distancia física perpendicular desde la línea de falla, y W es la distancia media de las estaciones GPS desde la falla en Kilómetros.

Si hay más estaciones GPS disponibles (además de las estaciones con etiqueta j), se utiliza un ajuste de mínimos cuadrados entre los resultados del modelo y los datos para (Δej2, Δnj2) para corregir el modelo.

La elevación o el hundimiento vertical se determina a partir de los desplazamientos horizontales conservando la masa de tal manera que el volumen de elevación sea igual al volumen de hundimiento, en el que se utiliza la constante adimensional a = 1,5. Observe que r representa una dimensión en la dirección de la sección transversal, mientras que j da la otra dimensión en la dirección a lo largo de la orilla. Una vez que los desplazamientos del fondo marino son derivados de las mediciones GPS, estos se interpolan en una cuadrícula de cuarto de grado sobre el área de falla.

CÁLCULO DE LA ENERGÍA TOTAL DEL TSUNAMI

Según Song (2007), se usan los movimientos del fondo marino derivados del GPS para calcular la energía de la fuente del tsunami, que incluye tanto la energía potencial debido a la elevación del fondo marino como la energía cinética debido a los desplazamientos horizontales de la pendiente continental (Titov et al., 2016).

Según Titov et al. (2016), la perturbación total de la superficie del mar debido al movimiento vertical en cada incremento es:

(4)

Donde, es la elevación de la superficie del mar desde el nivel medio del mar,

es la profundidad del agua, es un pequeño incremento, y son las

pendientes hacia el este y hacia el norte de la superficie por defecto, respectivamente. son los desplazamientos del fondo marino se

obtienen de las ecuaciones (1), (2) y (3).

La energía potencial del tsunami obtenida del océano en cada incremento es:

(5)

Donde, es la aceleración de la gravedad y es la densidad del agua. La energía

potencial total acumulada es la integración de la ecuación (5) en toda el área de falla y dentro del período de tiempo de ruptura.

Para determinar la energía cinética transferida desde una pendiente en movimiento, se necesita la velocidad de desplazamiento del fondo marino. Dado que cada incremento de los desplazamientos tiene logrado en un intervalo de tiempo de Δt en segundos, el movimiento tridimensional (velocidad) de una subfalla se puede obtener por (Titov et al., 2016).

Las velocidades horizontales aceleradas de las partículas de agua en las proximidades de las pendientes móviles se pueden escribir como:

(6)

(7)

Aquí t es el tiempo de subida de la subfalla, z es la coordenada vertical y LH es el rango efectivo del movimiento horizontal.

La energía cinética del tsunami ganada por océano en cada segundo debido al movimiento horizontal es:

(8)

Donde es el tamaño de la cuadrícula vertical en la capa inferior. La energía

cinética total acumulada es la integración de la ecuación (8) en toda el área de falla y dentro del período de tiempo de ruptura.

Según Titov et al. (2016), la energía total de la fuente de tsunami sería la suma

de las ecuaciones integradoras (5) y (8), es decir:

(9)

DETERMINACIÓN DE LA ESCALA DE TSUNAMI

Una vez que se obtiene la energía total del tsunami, se puede determinar las escalas potenciales de tsunami.

Basándose en la teoría de las ondas lineales en los océanos profundos (la raíz cuadrada de la energía de las olas es proporcional a la amplitud de onda), introducimos la siguiente fórmula para cuantificar las escalas de tsunami:

(10)

Donde, ST es la Escala de Tsunami.

La escala de Tsunami puede tomar valores de 1 a 10 y cualquier valor mayor a 10 se establece en 10.

El umbral para la Escala de Tsunami, determinado mediante simulaciones del Modelo de Circulación General Oceánico (OGCM), se establece en un valor de 5 y se muestra a continuación en la Tabla 1. Esto significa que si el valor de la Escala de Tsunami es mayor a 5 se debe activar la alerta temprana de Tsunami en la zona costera afectada; y si la Escala de Tsunami es menor a 5 la alerta temprana no se debe activar.

Escala de Tsunami ( ST ) Existe alerta temprana de Tsunami? >> 5 SI << 5 NO

Tabla 1: Escala de Tsunami para generar alerta temprana

Fuente: (Song, 2007)

La escala del tsunami es una representación cuantitativa de la altura del tsunami en los océanos profundos o su fuerza destructiva potencial antes de llegar a las regiones costeras (Song, 2007).

El enfoque energético de las escalas de tsunami también puede ser aplicable a otros tipos de tsunamis causados por deslizamientos de tierra, volcanes y ataques de meteoritos, porque la energía es la cantidad universal. No importa cuál sea la causa, el océano tiene que recibir suficiente energía para generar tsunamis, de modo que la detección de la energía transferida al océano es la clave de la determinación de las escalas de tsunami (Song, 2007).

La determinación temprana de la magnitud de un tsunami que está próximo es fundamental para que las agencias gubernamentales tomen las medidas adecuadas para minimizar los daños causados por los tsunamis y de esta manera reducir las falsas alarmas (Song, 2007).