Ein Team spanischer Mathematiker, koordiniert von Manuel J. Castro und Carlos Parés von der EDANYA-Gruppe der Universität Malaga sowie Enrique D. Fernández Nieto von der Universität Sevilla, entwickelt in Zusammenarbeit mit Forschern verschiedener Universitäten und Warnzentren in Europa und den USA neue Algorithmen, die in der Lage sind, Naturkatastrophen, verursacht durch maritime Stürme wie Tsunamis, Überschwemmungen oder Lawinen, in Echtzeit vorherzusagen.
Die Entstehung von Tsunamiwellen oder Unterwasser-Erdrutschen kann durch eine Reihe mathematischer Gleichungen modelliert werden, die als partielle Differentialgleichungen bekannt sind und auf den physikalischen Prinzipien basieren, die diese Phänomene charakterisieren, wie von der staatlichen Forschungsagentur (AEI) berichtet wird. Da es in den meisten Fällen unmöglich ist, exakte Lösungen für diese Gleichungen zu finden, ist es notwendig, Näherungslösungen zu verwenden.
Im koordinierten Projekt “Nichtlineare Gleichgewichtsgesetze für die Simulation in der Strömungsmechanik: Modellierung, numerische Methoden, Analyse, effiziente Implementierung und Anwendungen”, gefördert vom Ministerium für Wissenschaft, Innovation und Universitäten über die Staatliche Forschungsagentur im Rahmen der Ausschreibung für Projekte zur Wissensgenerierung 2022, entwickelt das Forschungsteam innovative mathematische Modelle zur Untersuchung und Simulation dieser Phänomene.
Sie widmen sich dem Entwurf und der Analyse neuer Approximationsalgorithmen und deren effizienter Implementierung auf Supercomputern, wie sie im Barcelona Supercomputing Center (BSC) oder bei CINECA in Italien zur Verfügung stehen. Dieser Fortschritt in der Modellierung und Simulation geophysikalischer Flüssigkeiten “wird die Erstellung von Notfallplänen und die Vorbereitung auf Bedrohungen durch Naturkatastrophen erleichtern sowie die Entscheidungsfindung in Echtzeit bei aufkommenden Bedrohungen verbessern”, betonen die Projektkoordinatoren.
Ein paar Minuten, um die Auswirkungen vorherzusagen
Von dem Moment eines Erdbebens, das potenziell einen Tsunami auslösen könnte, bis zur Aktivierung der Warnsysteme bleiben nur wenige Minuten, um die Auswirkungen vorherzusagen und eine zuverlässige Prognose für die potenziell betroffenen Gebiete zu erstellen, wie zum Beispiel die Höhe der Welle an der Küste oder den Küstenabschnitt, den der Tsunami überschwemmen könnte.
“Die präzise Vorhersage von Naturkatastrophen wie Überschwemmungen oder Tsunamis in Echtzeit ist schwierig, da sie komplexe, nichtlineare Phänomene darstellen, die von einer Vielzahl ungenauer Daten abhängen, wie zum Beispiel topobathymetrischen Daten oder der Dynamik des Verwerfungsrisses, der das Erdbeben auslöst”, erläutert Manuel J. Castro.
Der Fachmann betont, dass Tsunamis, wie der in Japan im Jahr 2011, “seltene und extreme Ereignisse sind, was generell bedeutet, dass es nicht möglich ist, eine Sammlung historischer Daten zu besitzen”. In anderen Fällen sind es Probleme, bei denen verschiedene Größenordnungen zusammenkommen: Ein Beispiel hierfür ist der Ausbruch des Vulkans Hunga Tonga-Hunga Ha’apai im Jahr 2022, der einen Tsunami verursachte, der die Region beeinträchtigte, aber auch globale Auswirkungen auf die Atmosphäre hatte und Wellen erzeugte, die sich über Tage hinweg ausbreiteten.
Notfallpläne
Castro argumentiert aus verschiedenen Gründen, dass “die Nutzung von Vorhersagemodellen, die Echtzeitantworten liefern können, aus mathematischer Perspektive vielfältige Herausforderungen birgt. Diese reichen vom Entwurf und der Analyse des mathematischen Modells bis hin zu seiner effizienten und robusten Lösung und dem Einsatz fortgeschrittener wissenschaftlicher Berechnungsmethoden, die Ergebnisse in Echtzeit ermöglichen.” Er fügt hinzu: “Außerdem müssen die Modelle die Informationen berücksichtigen, die gerade gesammelt werden, um die Vorhersage schrittweise zu verbessern.”
Die Forscher glauben, dass “dieses Projekt neben den wissenschaftlichen Beiträgen im Bereich der Mathematik und ihrer Anwendungen auch eine bedeutende soziale Auswirkung haben wird”. Die Ergebnisse werden zur Entwicklung neuer, fortschrittlicher mathematischer Instrumente beitragen, die sowohl die Erstellung von Notfallplänen als auch die Vorbereitung der Bevölkerung auf mit Naturkatastrophen verbundene Gefahren und die Entscheidungsfindung in Echtzeit unterstützen werden.
Einsatz in anderen Frühwarnsystemen
Der Beitrag dieses Teams von Mathematikern zum ARISTOTLE-eENHSP-Projekt ist von großer Bedeutung. Gemeinsam mit dem INGV bieten sie den Tsunami-Dienst für das Emergency Response Coordination Center (ERCC) der Europäischen Kommission an.
Einige von der EDANYA-Gruppe entwickelte Modelle werden bereits in Warnzentralen verschiedener Länder eingesetzt. Das National Geographic Institute (IGN), zuständig für die Tsunami-Frühwarnung im Land, verwendet das von den Mathematikern entwickelte Tsunami-HySEA-Modell. In Chile nutzt der SHOA (Hydrographic and Oceanographic Service of the Navy) es ebenfalls als numerisches Werkzeug, um den Alarm aufzuheben und die Rückkehr in die Häuser nach einer Evakuierung zu erleichtern.
Das Nationale Institut für Geophysik und Vulkanologie (INGV) in Italien setzt es ein, um routinemäßige Simulationen von Ereignissen in allen Meeren und Ozeanen durchzuführen und die erzeugten Alarmstufen zu bestätigen. Zudem verwenden die Warnzentren der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) der Vereinigten Staaten dasselbe Programm.
Das Projektteam, koordiniert von den Mathematikern Castro, Parés und Fernández Nieto, setzt sich zusammen aus Mitgliedern der EDANYA-Gruppe, Mathematikern der Universität Sevilla sowie Forschern des INRIA, der Universität Bordeaux, der Universität Versailles und des CNRS in Frankreich. Hinzu kommen Wissenschaftler der Universitäten Trient und Catania in Italien, des NOAA Center for Tsunami Research in Seattle, USA, und der ETH Zürich in der Schweiz, unter anderen.
In Zusammenarbeit mit Teams des National Geographic Institute (IGN) und des Geological and Mining Institute of Spain (IGME), des Istituto Nationale di Geofisica e Vulcanologia (INGV) in Italien und des Norwegischen Geotechnischen Instituts in Oslo arbeiten sie an der Feinabstimmung neuer mathematischer Modelle, die im Rahmen eines von der staatlichen Forschungsagentur finanzierten Projekts entwickelt werden.
Bild: IEDs
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