Jorden dirret mindre da vi ble hjemme

Seismiske målestasjoner verden over viste at jorden rystet mindre i mars og april.

–  At nedgangen i seismisk støy på grunn av koronatiltakene var synlig på såpass mange målestasjoner verden over, var litt av en overraskelse, sier seismolog og Tekna-medlem Steven Gibbons ved NGI, Norges Geotekniske Institutt. 

Han og seismologer over hele verden observerte at jorden rystet målbart mindre, fra den dagen folk fikk beskjed om å holde seg hjemme. Gibbons jobber til daglig med naturfarer  –  spesielt modellering og simulering av tsunamier og skred.

Da han og Mathilde B. Sørensen ved Universitetet i Bergen, så hvordan kurven for rystelser gikk nedover, synes de det var så interessant at de skrev en artikkel om fenomenet til Aftenposten Viten https://www.aftenposten.no/viten/i/2GxQ14/da-norge-ble-stille

Vil ikke bli lurt av en passerende trikk

–  Egentlig er denne seismiske støyen noe vi ønsker å filtrere bort. Det er signaler fra jordskjelv, sprengninger og andre store smell vi ønsker å detektere og identifisere. Vi vil kunne si "Her var et jordskjelv" med stor sikkerhet – og ikke bli lurt av signalet fra en passerende trikk». Så jo bedre vi forstår bakgrunnsstøyen, jo lettere er det er å finne egenskaper av de signalene vi er interesserte i, som skiller dem fra alt annet som registreres, forteller Steven Gibbons.

Seismologer som Steven Gibbons ved NGI er mest interessert i å kartlegge mulige jordskjelv. Da må bakgrunnsstøy fra menneskelig aktivitet identifiseres og filtreres bort.

Han forklarer at bakgrunnsstøyen er alle de ørsmå bevegelsene, vanligvis bare noen nanometer, som følsomme måleinstrumenter på 34 seismiske stasjoner (Norsk Nasjonalt Seismisk Nettverk (NNSN) ) plassert i Norge og på de norske arktiske øyer, fanger opp. Det er Institutt for Geovitenskap, Universitetet i Bergen, som har hovedansvaret for drift av nettverket og data-analysene.  NORSAR deltar i dataprosessering og bidrar med data fra utvalgte stasjoner.

Fotballfans eller bølger kan gi rystelser

–   Mennesker skaper seismisk støy ved at vi beveger oss rundt i biler, tog og til fots. Bygge- og anleggsvirksomhet, og industri kan gi støy. Sjokkbølger og akustiske bølger fra eksplosjoner kan også registreres på seismiske sensorer når forandringene i luft-trykket treffer bakken. Dette utgjør støy dersom man vil registrere små jordskjelv eller studere jordens struktur, men kan være viktig informasjon for å fastslå tidspunktet og styrke på en eksplosjon, forklarer Steven Gibbons.

Han forteller at studier viser at til og med fansen på rockekonserter eller amerikansk fotball kan bråke så mye at det gir utslag på måleinstrumenter, avhengig av støynivå og avstand til målestasjon.  

Naturens egne kilder til støy kan være havet som slår mot kysten, eller til og med kraftige regnskyll.

At seismisk støy går ned om natten og i helgene på målestasjoner i nærheten av mye menneskelig aktivitet har ifølge Gibbons vært observert i lang tid. Ved målestasjonen i kjelleren på Realfagbygget ved UiB, midt i Bergen sentrum, så de tydelige endringer fra 13. mars da regjeringen forbød store arrangementer.

Rolig påske i Bergen

–  En uke senere, når tiltakene ble utvidet til at skoler, barnehager og en rekke virksomheter stengte, observerte vi at den seismiske støyen gikk kraftig ned både i ukedagene og i helgene. Selv påsken var roligere enn vanlig. Da pleier støyen å gå ned, fordi mange reiser på hytta. I år var ikke det lov, men støymålingen viste likevel lavere rystelser enn en normal helg. Folk holdt seg hjemme og mye av det sosiale samværet foregikk kanskje over nettet. Den samme tendensen kunne forskerne se på andre måleinstrumenter nær de andre største byene.

Fra 13. mars gikk den seismiske bakgrunnsstøyen ned både i ukedagene og i helgene, og tydeligst i påsken, som her vist ved målinger fra Bergen sentrum. Jorden rystet rett og slett mindre. I slutten av april, tiltar støyen noe igjen.

Best midt på kontinent

Steven Gibbons forklarer at stasjoner som er utplassert for å detektere signaler fra jordskjelv skal aller helst plasseres på grunnfjell - med veldig god kobling - så langt fra alle mulige støykilder som det går an.
–  De aller beste seismiske stasjoner i verden for å registrere jordskjelv og f.eks. underjordiske sprengninger er plassert midt på kontinentene – i Sentral Asia, midt i australsk "outback" og i Sahara. Mange er plassert i borehull for å beskytte mot vind og regn, overflatebevegelser og tyveri.

Må ha strøm og kommunikasjon

–  Skal vi registrere norske jordskjelv, så kommer vi aldri langt fra havet, og det er vanskelig å unngå veier eller annen infrastruktur. Selv om beste plassering nok er langt ute på vidda, må vi har strøm og kommunikasjonsmuligheter. Utenom strømnettet er det både dyrt og krevende med strømtilførsel. Solpaneler er lite effektive i norsk vinter, og vindmøller genererer betydelig støy.

I Norge er målestasjonene plassert som en kombinasjon av veldig øde strøk og storbyene. Vi ønsker også ha stasjonene ved storbyene for å kunne gi best mulig informasjon om et jordskjelvs lokalisering, til tross for det høyere støynivået dette medfører. En del stasjoner er plassert i kjellerne til bygninger – f.eks. Universitetene i Bergen og Oslo, og ved NGU i Trondheim. Der har vi strøm og internett men er utsatt for heis, fyringsanlegg, personbevegelser osv. Du kan se lokasjonene til instrumentene i Norsk Nasjonalt Seismisk Nettverk på http://nnsn.geo.uib.no/nnsn/#/stations. NNSN er spesielt målrettet mot å detektere og lokalisere jordskjelv i Nordsjøen og på norsk sokkel. På grunn av høye kostander  er vi stort sett begrenset til å ha stasjoner på land.

Kompromiss mellom drøm og det praktiske

–  Stasjonskartet for NNSN er et kompromiss mellom drømmeløsningen og praktiske betraktninger. Dagens nettverk er langt større enn for eksempel 20 år tilbake. Enklere og billigere dataoverføring har gjort det mulig å ha stasjoner på steder som var utilgjengelige før. Vi håper at dette fortsetter slik at nettverket kan bli enda tettere og mer robust.

Slik ser en seismograf ut. Denne er plassert hos NGU i Trondheim.

–  I en "perfekt verden" for å overvåke jordskjelv, ville alle andre bevegelser stanse. Selve instrumentene er nesten svimlende følsomme – begrensningen i hvor svakt et jordskjelv kan være før vi ikke klarer å detektere det ligger ikke i instrumentene – de er følsomme så det holder – problemet er støyen som signalene konkurrerer mot, forteller Steven Gibbons.

Ønsker å redusere falsk alarm

–   Vårt mål er å kunne se signalene fra jordskjelvene eller steinrasene så tydelige som det går an. Ofte har jordskjelvsignalene et frekvensinnhold som er ganske annerledes enn frekvensinnholdet av bakgrunnsstøyen. Ved å filtrere dataene så kan man fjerne det som er i støy-båndet for å fremheve det som er i signalbåndet – og øker Signal-to-Noise-Ratio (SNR) – eller signal-støy-forholdet.

–   Det er et evighetsprosjekt å optimere signalbehandlingsmetodikken for å gjøre deteksjonsalgoritmene mer følsomme og samtidig mer robuste (dvs. redusere antall "false alarms" – varslinger som ikke skyldes jordskjelv). "Machine Learning" begynner å sette sitt spor innenfor deteksjonsseismologi. Maskiner vil kunne bygger opp en oppfatning av hvordan bakgrunnsstøyen ser ut og forhåpentligvis reagere på og identifiserer et nytt signal som er av interesse. Utfordringene er store men framskritt de siste årene har vært betydelig, sier Steven Gibbons.