Vibrationer i marken kan bidra till att förbättra avancerade varningar om plötsliga översvämningar till följd av glacial smältning, enligt en studie publicerad idag i Vetenskapens framsteg .

Den 7 oktober, 1994, en naturlig damm som hade hållit tillbaka en glaciärsjö som sprack, skickar översvämningsvatten som kraschar nedströms in i den bhutanesiska byn Punakha. Den plötsliga översvämningen dödade 21 människor, förstörde 816 hektar grödor och 6 ton lagrad mat, och tvättade bort hem och annan infrastruktur. Den nya studien, ledd av forskare vid Columbia Universitys Lamont-Doherty Earth Observatory, upptäckte att lokala seismiska enheter omedvetet registrerade denna glaciärsjöutbrott fem timmar innan den nådde byn.

Issjöutbrott blir allt vanligare och mer destruktivt i bergsområden. När glaciärerna smälter, vattnet samlas i sjöar instängda bakom dammar gjorda av steniga glaciärskräp och isstockningar. När dammen skiftar eller för mycket tryck byggs bakom den, sjövattnet forsar ut i en katastrofal explosion, utgör en fara för nedströmssamhällen. När planeten värms, glaciärsjöar blir allt större och vanligare, ökar därmed potentialen för glaciärsjöutbrott (GLOF).

I studien, ledd av Lamont-Doherty doktorand Josh Maurer, forskare upptäckte att en seismometeruppsättning som ligger cirka 100 kilometer från glaciärsjön hade registrerat en tydlig högfrekvent signal vid cirka 01:45, runt den tid då dammen skulle ha spruckit. De antar att när dammen brast, det kraftiga och plötsliga utflödet av vatten och/eller sediment slog flodbädden, orsakade vibrationerna som fångades upp av seismometrarna. Teamet kunde använda seismiska data för att rekonstruera översvämningen när den tog sig 90 kilometer nedströms, når byn Punakha runt 07.00.

För närvarande, instrument övervakar lokal vattennivå i vissa issjöar och varnar lokalsamhällen om sjönivån plötsligt sjunker, indikerar en GLOF. Dock, sådana system är kända för att vara något opålitliga och har utfärdat falsklarm tidigare. Studieförfattarna föreslår att med viss förfining, realtidsseismisk övervakning skulle kunna kombineras med vattennivåövervakningssystem för att minimera falsklarm och maximera varningstider. Dessutom, några strategiskt placerade seismiska sensorer skulle potentiellt kunna övervaka för GLOF över ett stort område, medan vattennivåvakter måste installeras sjö för sjö.

Författarna noterar att mer forskning behövs innan seismiska GLOF-monitorer skulle vara redo för utplacering. Teamet hoppas kunna hitta och utforska andra tillfällen där seismometrar har fångat GLOF-händelser, för att bättre förstå hur man läser och analyserar signalerna i realtid. De varnar också för att Punakha-floden var mycket stor, så signalen stod tydligt ut i datan; i framtiden, de hoppas att bättre förstå om tekniken på ett tillförlitligt sätt kan upptäcka mindre glaciärsjöutbrott, som fortfarande kan orsaka allvarlig skada.

Genom att rekonstruera Punakha-floden, forskarna kunde också testa olika modeller av hur översvämningsvatten skulle förväntas rinna genom området, visar att seismiska data kan hjälpa till att förbättra översvämningsmodellering. Dessutom, tidningen använde satellitbilder före och efter GLOF för att bedöma dess inverkan på området.

Experter som inte var involverade i studien, inklusive geografen Simon Allen och glaciologen Holger Frey (båda från universitetet i Zürich), sade att studien representerar ett lovande första steg mot ett seismologibaserat system för tidig varning. Allen sa att mer forskning behövs, eftersom tekniken hittills bara har testats på en sjö, och varnade för att upprätthålla ett seismiskt övervakningsnätverk i realtid i Himalaya eller någon annanstans skulle innebära ekonomiska och tekniska utmaningar.

"Algoritmerna måste vara extremt pålitliga, sade Frey. Alla händelser måste upptäckas, men samtidigt måste falska larm undvikas med alla medel." Han betonade också att inkludering av människor från de drabbade samhällena i utformningen och implementeringen av sådana system är avgörande för att avgöra om de i slutändan är framgångsrika eller inte.

"Denna studie är en bra demonstration av potentialen för långdistansseismisk detektering av stora översvämningar, sa Kristen Cook, en geolog vid GFZ German Research Center for Geosciences som inte var involverad i studien. "Denna seismiska detektering kan ha viktiga implikationer att titta både bakåt i tiden för att validera översvämningsmodeller och bättre förstå processerna för utbrott av översvämningar, och potentiellt framåt i tiden om ett seismiskt system för tidig varning kan utvecklas. Översvämningar är ett stort problem i Himalaya, särskilt när utvecklingen längs flodkorridorer ökar och sjöar växer, så både mer robust tidig varning och bättre modellering skulle ha betydande samhällsfördelar."

Andra författare till studien inkluderar:Joerg Schäfer, Joshua Russell, och Nicolas Young från Columbia University; Summer Burton Rupper från University of Utah; Norbu Wangdi från Center for Water, Klimat, och miljöpolitik i Bhutan; och Aaron Putnam från University of Maine.

Lär dig mer om studien i en kort Q&A med studiens medförfattare Joerg Schaefer, Nedan.

Hur utvecklades idén till denna studie först?

Allt detta började när vi arbetade med de välbevarade och nästan kompletta moränsekvenserna framför GLOF-sjöarna. De var i vägen för 1994 års GLOF, och berylliumdatering visar att de är gamla, typ 4, 000 år gammal. Jag var förbryllad över hur en sådan förödande GLOF kunde passera dessa gamla glaciala landformer utan att förstöra dem, tvättar ur dem. Jag bad doktoranden Josh Maurer att kontrollera spionsatellitbilderna och de efterföljande fjärranalysbilderna för bilder av sjöar och moräner strax före och strax efter översvämningen. Han gjorde det, och vi dokumenterade utbrottet och den tidiga fasen av 1994 års GLOF. Vi lärde oss att översvämningen inte var superdramatisk direkt i början, och tog endast ut en liten del av den slutliga morändelen. Det här är en slående och skrämmande påminnelse om att GLOFs som börjar på dessa höga höjder hämtar sin förödande energi genom gravitationen på väg nedför.

Josh insåg potentialen, och vi började fundera på om GLOF-signalen inte borde synas i seismometerregistret. Josh kom i kontakt med Josh Russell, en Ph.D. student i seismologi vid Lamont, och tillsammans gick de till jobbet och använde en teknik som kallas "korskorrelationsbaserade seismiska analyser, ' med vilken de kunde spåra utvecklingen av GLOF med seismometrar så långt som 100 km från den faktiska översvämningen. De hittade översvämningssignalen i enastående klarhet och syntetiserade seismiska data med ögonvittnesrapporter och en nedströms mätstation i en numerisk översvämningsmodell.

Vi använde också avlägsna bilder före och efter översvämningen för att uppskatta sedimentavlagringen i dalen nedströms för att bedöma skadan, och spårade hastigheten för återhämtning av vegetationen.

Det här är förmodligen den mest innovativa geovetenskapliga uppsatsen jag har haft nöjet att vara en del av. Min huvudsakliga roll i det har varit att stödja arbetet för dessa briljanta studenter.

Har du stött på några hinder i utvecklingen av detta projekt? Om så är fallet, vad var de? Hur övervann du dem?

Josh och Josh stötte på en mängd olika problem under sina korskorrelationsanalyser, men de fungerade briljant och effektivt som ett team. När alla resultat låg på bordet, det tog oss ett tag att organisera styckena från många olika discipliner för att bilda ett sammanhängande geovetenskapligt manuskript, och att realisera och formulera potentialen hos denna teknik för en ny generation av GLOF-tidigvarningssystem.

Hur tror du att andra glaciala sjöar skulle kunna prioriteras för framtida forskning i dessa banor?

En av de största styrkorna med detta tillvägagångssätt är den regionala tillämpbarheten. Vi kan använda denna verktygslåda, till exempel, att fråga seismometern om det finns liknande signaler av GLOF-typ i systemet eller inte. Och, med hjälp av Joshs satellitbildbehandlingstekniker, vi kan söka i regionen efter källan till liknande översvämningar som kan ha inträffat i området under de senaste 40 åren.

Att kunna spåra formationen, tillväxt och i synnerhet ökning av sjönivån över tid är nyckeln till att utvärdera och identifiera de mest farliga sjöarna i regionen. Topografi och sedimenttillgänglighet är troligen likartade över olika GLOF-benägna dalar i regionen, men vi borde absolut ta fram en karta som lyfter fram mänskliga bosättningar och områden som är nyckeln till deras försörjning i förhållande till GLOF-faran från högre upp i Himalaya.