האם למידת מכונה יכולה להיות המפתח לחיזוי רעידת אדמה?

לפני חמש שנים, פול ג'ונסון לא היה חושב לחזות אי פעם רעידות אדמה. עכשיו, הוא לא כל כך בטוח.

"אני לא יכול לומר שכן, אבל אני מקווה הרבה יותר שנעשה התקדמות רבה תוך עשרות שנים, " אומר הסייסמולוג של המעבדה הלאומית בלוס אלמוס. "אני מלא תקווה עכשיו מאשר אי פעם הייתי."

הסיבה העיקרית לאותה תקווה חדשה היא טכנולוגיה שג'ונסון החל לבדוק לפני כארבע שנים: למידת מכונות. רבים מהצלילים והתנועות הקטנות לאורך קווי תקלות טקטוניים שבהם מתרחשות רעידות אדמה נחשבו זה מכבר כחסרי משמעות. אולם למידת מכונה - הכשרת אלגוריתמי מחשב לניתוח כמויות גדולות של נתונים כדי לחפש דפוסים או אותות - מרמזת כי חלק מהאותות הסיסמיים הקטנים עשויים להיות חשובים אחרי הכל.

מודלים ממוחשבים כאלה עשויים אפילו להתברר כמפתח לפתיחת היכולת לחזות רעידות אדמה, אפשרות מרוחקת כל כך שנויה במחלוקת, עד כי רבים מהסיסמולוגים מסרבים אפילו לדון בה.

כאשר התיאוריה של טקטוניקת הלוח צברה קרקע בשנות השישים, מדענים רבים חשבו שתחזית רעידת אדמה הייתה רק עניין של זמן. ברגע שניתן היה לעצב רעידות אדמה קטנות הנגרמות על ידי צלחות הסטה, עברה החשיבה, צריך היה להיות אפשרי לחזות רעידות אדמה גדולות יותר או אפילו שבועות מראש. אולם ריבוי גורמים, מסוג סלע למרחק של תלוש תקלות, משפיעים על חוזקה של רעידת אדמה, ומהר מאוד התברר כי דגמים בעלי פעילות טקטונית בהיקף קטן לא יכלו לספק דרך אמינה לחזות רעידות אדמה גדולות. אולי משמרות וחלקות קטנות, המתרחשות מאות פעמים ביום, יכולות להעיד על עלייה קלה בהסתברות לרעידת אדמה גדולה, אך גם לאחר נחיל של פעילות טקטונית קלה, רעידת אדמה עדיין לא סבירה מאוד להתרחש. יש צורך באיתות טוב יותר לרעידת אדמה נכנסת אם תחזית אי פעם תתממש.

השימוש בלימוד מכונות כדי למצוא איתות כזה הוא ככל הנראה כברת דרך ארוכה - אם זה אפילו אפשרי. במחקר שפורסם בסוף השנה שעברה, הציע ג'ונסון וצוותו שיכול להיות איתור סיסמי שלא התעלם ממנו שעשוי להכיל דפוס שחשף כאשר רעידת אדמה גדולה - כמו רעידת קסקדיה הידועה לשמצה וארוכה בציפייה בצפון מערב האוקיאנוס השקט - יכולה לפגוע. אם ההשערה תתחלף, היא עשויה לשנות את אופן הצפי של רעידות אדמה משניות מראש ועד אולי יום אחד, עשרות שנים מראש.

השיפורים האחרונים בחיזוי רעידות אדמה היו שניות יקרות. סייסמולוגים עובדים על שיפור מערכות אזהרה מוקדמות כמו אלה ביפן ומערכת ShakeAlert שמוצגת לאורך החוף המערבי של ארה"ב. מערכות אלה שולחות התראות רק לאחר שרעידת אדמה כבר החלה - אך בזמן לכבות דברים כמו מעליות או קווי גז ולהזהיר קהילות רחוקות מהמוקד.

הניסיון להמחיש עד כמה רעידת מצבים הולכת להיות, איפה מוקד הרעש שלה ומה הולך להיות מושפע, הכל מכמה שניות של נתונים, זה כבר אתגר עצום, אומר ג'ונסון. מערכות אזהרה קיימות העריכו שגויות ברעידות אדמה גדולות והעניקו אזעקות שווא על אחרים. אבל לפני 2007, אפילו לא הייתה לנו הודעה של שניות. איפה אנחנו יכולים להיות בשנת 2027?

"איננו יודעים עד כמה באמת יעשה הסיסמולוגיה עשור מעכשיו, " אומר ג'ונסון. "אבל זה יהיה הרבה יותר טוב מהיום."

ההתקדמות בפיקוח על רעידות אדמה תסתמך ככל הנראה על מחשבים שהוכשרו לפעול כסיימולוגים מומחים. בעזרת זיכרון מושלם, מעט מושגים מראש ומעט צורך בשינה, מכונות יכולות לסדר דרך ים של נתונים שנאספים כאשר צלחות טקטוניות עוברות. כל המידע הזה דומה למה שהיית שומע ברחוב צפוף - רעשי המכוניות, האנשים, בעלי החיים ומזג האוויר הכל מעורבבים זה בזה. חוקרים מנפים את אותם אותות המועתקים כגלים, בניסיון לברר אם מישהו מהם מעיד על רעידת אדמה שקורה או עומד להתרחש. התקווה הייתה זה זמן רב, שקשור לכל הרעש הזה, יתכן שיש איזשהו מבשר שניתן למדוד או לצפות בו כדי להצביע על משך הזמן עד לרעידה הגדולה הבאה.

אחד מאותם רעשים - מה שג'ונסון מכנה "אות דמוי רעידה" - זוהה ונחקר במשך מספר שנים. "זרקתי את כל מה שהיה לי בארגז הכלים שלי והחלטתי שאין שם כלום", הוא אומר.

אבל האלגוריתמים והמחשבים שהקים צוותו הסתכלו על האות מנקודת מבט שונה במקצת, והתמקדו באנרגיה שלו. אנרגיה זו (המתועדת כמשרעת, מדד לגודל הגלים הסיסמיים) צמחה "כל כך מעט" בכל מעגל רעידת האדמה, אומר ג'ונסון. ברגע שרעידת אדמה פגעה, משרעת האות צנחה והתחילה את מחזור הצמיחה הרגיל עד לפגיעה ברעידה נוספת.

זה היה דפוס.

אותו אות שלא התעלם בעבר, אומר ג'ונסון, "הכיל מידע חזוי לחיזוי מחזור רעידת האדמה הבא" דקות מראש במודלים המהירים של תקלות במעבדה, המתורגמת לעשרות שנים מראש בחיים האמיתיים. אבל התוצאות במעבדה ובעולם האמיתי לא תמיד מתיישרות.

בשלב זה, למידת מכונה אינה מיועדת לסייע בחיזוי רעידת אדמה, אלא להבין רעידות שרק התחילו או דינמיקות רעידות באופן כללי. אולם ההתקדמות באיתור רעידות רעב, הערכת גודל ועוצמה ומיון באמצעות "רעש", כל אלה משפרות את ההבנה שלנו כיצד רעידות פועלות, כולל מתי הם עלולים להכות.

"אני רוצה להבהיר שמה שאנחנו עושים שונה מהתחזית. אבל כן, כל הדברים האלה קשורים בעקיפין, "אומר מוסטפא מוסטאבי, סייסמולוג של סטנפורד המשתמש בלמידה של מכונות כדי למיין רעשי רקע כדי לגלות רעידות קטנות.

גברים-אנדרין מאייר, סייסמולוג בקלטק, אומר כי "הניחוש הטוב ביותר שלו הוא שרעידות אדמה אינן ניתנות לחיזוי מטבעו." עם זאת, הוא עובד על שימוש במכונות למען שיפור מערכות אזהרה מוקדמות, ושיפורים במעקב שנכנס להתראות הללו יכול להיות עשוי לשפר את תחזיות רעידות האדמה. מפות טובות יותר של תקלות והבנה טובה יותר של תהליכי רעידות אדמה, מגמות ומחזורים עשויים להיכנס לשיפור החיזוי, אומר מוסטפא.

אף על פי כן, ישנם סייסמולוגים שחושבים ש"חיזוי "הוא פנטזיה. רוברט גלר, סייסמולוג באוניברסיטת טוקיו, ידוע בפסימיות שלו בנוגע לחיזוי רעידות אדמה.

"מחקר על חיזוי רעידת אדמה הוא לא דבר אמיתי, " הוא אומר בדוא"ל. "זה פשוט מורכב מאיסוף נתונים רבים בתקווה שאפשר למצוא 'מבשר' אמין. אף אחד לא נמצא עד כה. "

לדברי גלר, ניתן להתעלם מתוצאות מעבדה הנוגעות לאותות רעידות אדמה עד להעתקה באופן עקבי בעולם האמיתי. "אין לי ספק שהם יכולים למצוא המון דפוסים נראים בנתוני התרחשות של רעידת אדמה שנראים לאחור. אבל אני לא רואה שום סיבה לחשוב שדפוסים כאלה יעבדו קדימה בזמן, "אומר גלר.

תקלת קסקדיה מחוץ לאי ונקובר מחליקה לאט לאט כל הזמן, מייצרת סיסמיות נמוכה שאינך יכול להרגיש ואז חוזרת למקומה פעם בשנה. ניתן לעקוב אחר העקירה הקלה מאוד של פני כדור הארץ מאותה החלקה, ולכן הצוות של ג'ונסון ניסה לראות אם האות החדש שאותרו אלגוריתמי למידת המכונה שלהם יכול לחזות את התנועה.

"והנה, והנה, זה ממפה לשיעור העקירה", אומר ג'ונסון.

השאלה כעת היא כיצד יתכן שהאות יתייחס לנעילת התקלה - הסלעים השזורים זה בזה ששמרו על הלוחות הטקטוניים לגלוש בצורה דרסטית ולהפיק רעידת אדמה גדולה במשך כ -300 שנה. בסופו של דבר, נעילת התקלה תישבר, ורעידת אדמה אדירה תיפתח. אולי הצוות של ג'ונסון לומד, או סימן אחר שטרם נחשף, יכול לתת תחושה של מתי זה יקרה - אם אותות כאלה קשורים לרעידות אדמה גדולות בכלל.