Смертельна небезпека на пляжах: Науковці розробили систему раннього попередження зсувів у Каліфорнії

Після чотирирічного дослідження вчені зі Скріппсовського інституту океанографії при Каліфорнійському університеті в Сан-Дієго (UC San Diego) опублікували новий звіт, метою якого було визначити, чи здатна система раннього попередження виявити зсув до того, як він станеться.

Джерело: phys.org

Звіт «Дослідження раннього попередження зсувів на узбережжі Каліфорнії» показав, що мережа підземних датчиків може надійно попереджати про неминучі небезпечні зсуви за кілька годин або навіть днів, проте потрібна додаткова робота, щоб оформити ці висновки у дієву систему оповіщення.

Дані були опубліковані в дослідженні «Записи деформації ґрунту в реальному часі під час руйнування прибережних скель в окрузі Сан-Дієго, Каліфорнія» в журналі Journal of Geophysical Research: Earth Surface.

Приблизно 70% узбережжя Каліфорнії складається з прибережних скель, що зазнають ерозії. На цих скелях розташована важлива інфраструктура: автомагістралі, залізниці, пункти доступу до узбережжя, енергетичні об'єкти та споруди. Крім того, обвали скель можуть бути смертельно небезпечними для людей на пляжі.

У серпні 2019 року на пляжі Грандв'ю в Енсінітасі (Каліфорнія) загинули три жінки після того, як секція скелі розміром 9 на 8 метрів обвалилася прямо на пляж. Інші смертельні випадки траплялися по всьому штату, зокрема у Біг-Сурі, Санта-Барбарі, Пойнт-Реєсі та Сан-Франциско.

Ця трагедія в Енсінітасі спонукала членкиню Асамблеї Каліфорнії Ташу Бернер, чий округ охоплює прибережну північну частину Сан-Дієго, розробити законопроєкт AB 66 та забезпечити фінансування з бюджету штату для покращення моніторингу узбережжя. Метою було детальніше вивчити час руйнування круч і допомогти сформувати рекомендації для розробки майбутньої системи раннього попередження зсувів.

«Обвали круч — це постійна загроза для прибережних районів у моєму окрузі та по всьому узбережжю Каліфорнії. Вони несуть ризик загибелі людей, травмування та завдають збитків життєво важливій інфраструктурі на мільйони доларів», — зазначила Бернер. — «Тепер, коли дослідження завершено, наукові висновки очевидні: в умовах підвищення рівня моря ми можемо рятувати життя, захищати нашу прибережну економіку та ключові транспортні мережі за допомогою системи раннього попередження про обвали круч. Це було б неможливим без доктора Адама Янга та решти команди Скріппсовського інституту океанографії».

Пляж Стоунстепс в Енсінітасі, Каліфорнія. Прибережні зсуви в Каліфорнії несуть дедалі більші ризики для громадської безпеки, інфраструктури та прибережних громад, а загрози зростатимуть через підвищення рівня моря та демографічний тиск. Джерело: Джессі Керр / Група прибережних процесів у Скріппсовському інституті океанографії.

Обладнання ділянок скель датчиками

Для проведення дослідження береговий геоморфолог Скріппса Адам Янг та геофізик Марк Зумберге застосували двосторонній підхід. Вони обладнали ключові ділянки передовими технологіями підземного моніторингу, встановивши цілу низку датчиків різної вартості та чутливості. Вони також розширили масштаби прибережної лідарної зйомки, використовуючи передову лазерну технологію для картографування висоти поверхні та точного відстеження стану скель і пляжів до та після обвалів.

Обрані ділянки включали: пляж Біконс в Енсінітасі (пляж із громадською стежкою на складному зсувному масиві, що періодично рухається); залізничний коридор у Дель-Марі (важливий прибережний залізничний шлях, що проходить над пляжем під нестабільними кручами); та державний пляж Сан-Еліхо (пляж з еродованими скелями, кемпінгом на вершині скелі, парковими зонами та пунктами громадського доступу).

«Хоча інші дослідники раніше повідомляли про сигнали, що передують зсувам, нам було цікаво, що саме ми побачимо в цьому конкретному середовищі», — сказав Зумберге, який десятиліттями розробляв прилади для точного вимірювання землетрусів. — «Вчені вже дуже довго намагаються передбачити землетруси. Це дослідження дало унікальну можливість використати знання, отримані під час вивчення землетрусів, і застосувати їх до цих прибережних загроз».

Серед використаних технологій були інклінометри (датчики нахилу) — прилади, які часто застосовують для вимірювання руху тектонічних розломів. Вони здатні фіксувати нахил ґрунту з точністю до 10 мікрометрів на базі в 1 метр (це приблизно одна восьма ширини людської волосини). На пляжах Біконс та Дель-Мар перпендикулярно до краю скелі також було встановлено екстензометри.

Дізнавайтеся про найсвіжіші новини науки, технологій та космосу разом із понад 100 000 підписників, які покладаються на Phys.org у пошуку щоденної інформації. Підпишіться на нашу безкоштовну розсилку та отримуйте оновлення про важливі відкриття, інновації та дослідження — щодня або щотижня.

Ці датчики являють собою волоконно-оптичні кабелі, які розтягуються або стискаються за будь-якої деформації ґрунту. Їхній рух можна зафіксувати з точністю до нанометра (одної мільярдної частки метра). На окремих ділянках також встановили сейсмометри для моніторингу коливань у товщі скелі, GPS-маяки для вимірювання постійних змін положення вершини скелі, а також датчики тиску хвиль на пляжі для вимірювання сили ударів хвиль об підніжжя скель.

За період дослідження команда зафіксувала п'ять обвалів — два в Дель-Марі та три на державному пляжі Сан-Еліхо. У всіх випадках датчики фіксували рух скель за кілька годин або навіть днів до самого обвалу. Об'єм зсувів становив від кількох до кількох сотень кубічних метрів породи, яка зазвичай падала з верхньої частини скелі на пляж під нею.

«Наша команда обрала місця, де ми очікували активність скель, але гарантій не було жодних», — поділився Янг. — «Ці п'ять подій надали життєво важливі дані, які підтвердили наші висновки про те, що такий тип моніторингу дійсно дозволяє робити прогнози».

Один із найзначніших обвалів Янг і Зумберге зафіксували в Дель-Марі 21 квітня 2024 року. Під час планового візиту на ділянку команда помітила нову маленьку тріщину на вершині скелі завширшки близько 2,5 міліметрів, яка тягнулася на 9 метрів паралельно краю кручі.

Протягом наступних кількох тижнів датчики показували, що тріщина розширювалася на 0,4 міліметра на день — швидкість, непомітна для людського ока. За цей час також пройшло кілька дощів, і 19 квітня показники датчиків нахилу почали прискорюватися з темпом, який, за висновками науковців, свідчив про неминучий обвал. Про це негайно попередили берегові служби керування. 21 квітня о 5 годині ранку стався обвал скелі, і приблизно 200 тонн породи впало на пляж.

Лазерне картографування скель

Опади та хвилі є основними факторами ерозії прибережних скель. Хвилі підмивають основу, що призводить до збільшення крутизни скелі та її нестабільності. Дощі та підземні води згодом можуть провокувати зсуви на цих нестабільних ділянках. Щоб краще зрозуміти час обвалу скель після дощів, команда з 2022 по 2025 роки проводила щотижневе лідарне картографування скель від державного пляжу Торрі-Пайнс до Енсінітаса.

Використовуючи мобільну лідарну систему, встановлену на вантажівці, та фотограмметрію з безпілотників, команда створила детальні просторові карти, що дозволили відстежувати рух і зміни на скелях. Плювіографи (дощоміри), встановлені поблизу місць дослідження, щодня надавали дані про кількість опадів.

Аналіз цих даних дозволив команді визначити попередні екологічні пороги, пов'язані з підвищеною зсувною активністю, що стало основою для регіональної ймовірнісної системи попередження про прибережні зсуви. Наприклад, систему можна налаштувати так, щоб вона видавала попередження у разі перевищення критичного рівня опадів.

Система попередження: від теорії до практики

Тепер, коли сигнальні маркери виявлено, у звіті наголошується на необхідності для штату Каліфорнія створити регламент, згідно з яким місцеві органи екстреного реагування зможуть діяти, якщо моніторинг вказуватиме на неминучий обвал.

У звіті зазначено потребу у розробці плану дій для берегових менеджерів, рятувальників, підрозділів морської безпеки, залізничних операторів та інших зацікавлених сторін. Необхідно створити протоколи реагування на отриманий сигнал. Можливі заходи можуть включати: тимчасове закриття пляжу чи зон на вершині скелі, контрольоване обвалення небезпечних ділянок, встановлення попереджувальних знаків у зонах ризику, укріплення конструкцій тощо.

Також рекомендується посилити інформування населення про небезпеку обвалів скель. Це може відбуватися у формі соціальної реклами, просвітницьких заходів на пляжах, кампаній у соцмережах, програм для молоді та юних рятувальників, а також тренінгів для персоналу державних парків і рятувальних служб.

У межах дослідження вчені також створили експериментальний додаток для смартфонів, який прогнозує ширину пляжу в Торрі-Пайнс. Достатня ширина пляжу дозволяє відпочивальникам триматися на безпечній відстані від скель.

Прогноз базувався на найсвіжіших даних лідарної зйомки Скріппса, а також на прогнозах прибережних хвиль і висоти припливів. Інструмент надавав погодинний прогноз ширини пляжу на три дні вперед, продемонструвавши, як саме ці дані можна застосувати для підвищення безпеки відпочивальників.

Продовження досліджень

Територія дослідження, описана у звіті, обмежувалася північною частиною округу Сан-Дієго. Автори звіту наголошують, що багато інших прибережних зон Каліфорнії також становлять загрозу для безпеки та інфраструктури й потребують вивчення. Серед них — округ Орандж, Палос-Вердес, округ Санта-Барбара, Біг-Сур, Санта-Крус, Пасифіка та інші.

Автори також прагнуть продовжити термін досліджень на тестових ділянках у Сан-Дієго.

«Деякі з наймасштабніших зсувів відбуваються рідко, тому для кращого розуміння цих процесів необхідні додаткові довгострокові спостереження», — підсумував Янг.

Хоча звіт доводить можливість прогнозування, визначення найкращої стратегії спостереження та інструментів вимірювання — тих, що збалансують чутливість, охоплення території та вартість — стане чітким лише після накопичення більшої кількості даних.