Tres artículos publicados en Science analizan en detalle el terremoto de Japón

El terremoto de magnitud 9,0 en la escalade Richter ocurrido el 11 de marzo de 2011 fue precedido por varios terremotos. El mayor de ellos fue un terremoto 7,3 Mw que ocurrió el 9 de marzo y cuyo epicentro se encontraba a sólo 45 km de distancia. ¿Podría haberse utilizado este terremoto premonitor como predictor del gran terremoto posterior? Predecir a posteriori siempre es fácil, pero en este caso los resultados no acompañan a los sismólogos. La comparación entre este terromoto premonitor y dos terremotos de magnitud similar ocurridos el 19 de septiembre de 2008 y el 16 de agosto de 2005 muestra muy pocas diferencias (abajo tienes las figuras para que las compares “a ojo de buen cubero”). Las simulaciones numéricas no son concluyentes y los sismólogos creen que, hoy por hoy, es imposible inferir una pauta característica de los terremotos premonitorios, que los diferencie de los que no lo son. Nos lo ha contado Satoshi Ide, Annemarie Baltay, Gregory C. Beroza, “Shallow Dynamic Overshoot and Energetic Deep Rupture in the 2011 Mw 9.0 Tohoku-Oki Earthquake,” Science Express, Published Online 19 May 2011.

Mark Simons et al., “The 2011 Magnitude 9.0 Tohoku-Oki Earthquake: Mosaicking the Megathrust from Seconds to Centuries,” Science Express, Published Online 19 May 2011, nos indican que las simulaciones numéricas del gran terremoto de 9,0 Mw a partir de los datos medidos de forma experimental indican que en ciertos puntos el desplazamiento de la falla que provocó el terremoto superó los 50 metros, un desplazamiento mucho mayor que el observado en el terremoto de 8,8 Mw de Chile en 2010. Estas estimaciones contrastan con las medidas reales mediante GPS y sensores acústicos que estiman movimientos horizontales de la falla de unos 24 metros y movimientos verticales de unos 3 metros (ver figura de abajo), como nos indican Mariko Sato et al., “Displacement Above the Hypocenter of the 2011 Tohoku-Oki Earthquake,” Science Express, Published Online 19 May 2011. Estas discrepancias son un claro indicativo de que los grandes terremotos son aún unos desconocidos para la ciencia.

Como nos indica Richard A. Kerr, “Seismic Crystal Ball Proving Mostly Cloudy Around the World,” Science 332: 912-913, 20 May 2011, el fallo en la predicción de la magnitud del terremoto de Japón es un claro indicativo de las grandes dificultades que tienen los sismólogos a la hora de utilizar su “bola de cristal” científica. Hace unas décadas se pensaba que “pronto” se podrían predecir los grandes terremotos con una antelación de días o semanas. Hoy sabemos que las esperanzas del pasado eran falsas y que identificar las señales premonitorias de un terremoto está fuera del alcance de nuestros conocimientos actuales. ¿Por qué se predijo hace un lustro que habría una terremoto de escala 7 a 8 en los próximos 30 años y se ha producido uno de escala 9? Según los estudios publicados en Science una razón posible ha sido la acumulación de múltiples desplazamientos en la misma falla. Podrían haber coincidido hasta 5 en este terremoto de 9 Mw. Un suceso que se cree que debe ocurrir una vez cada 1000 años. Son los terremotos más peligrosos, pero como son tan poco frecuentes son muy difíciles de estudiar (su rareza es nuestra desgracia).

Lo único bueno de esta catástrofe natural es que los sismólogos están poniendo a prueba sus modelos teóricos y creen que aprenderán muchísimo sobre los grandes terremotos gracias al acontecido en Japón. Todos deseamos que lo que aprendan de este terremoto ayude a que puedan desarrollar estrategias de predicción fiable para futuros eventos tanto en Japón como en otros lugares del mundo.

¿Se pueden predecir los terremotos partir del análisis de datos históricos?

El 11 de mayo, un terremoto de magnitud 4,5 —seguido por otro una réplica de 5,1— sacudía Lorca, en Murcia, causando destrozos, al menos nueve muertes y más de cien heridos. Mis condolencias para los familiares de las víctimas y los damnificados. “El caso es que el 11 de mayo de 2011 era el día en que según las notas dejadas por Raffaele Bendandi (1893-1979) tendría lugar un terremoto que destruiría Roma. Este astrólogo es famoso por sus múltiples predicciones de terremotos en Italia.” Más información en Miguel Santander, “De terremotos y profecías,” Tras el horizonte de sucesos, 12 mayo, 2011; también en Milhaud, “¿Se pueden predecir los terremotos?,” Recuerdos de Pandora, May 11, 2011; y en Arturo Quirantes, “Alerta Magufo: La influencia de los planetas en el terremoto de Lorca,” Amazings.es, 13/05/2011.

¿Se pueden predecir los terremotos partir del análisis de datos históricos? En 2002, la Oficina Central de Investigación de Terremotos del Gobierno de Japón predijo con una probabilidad entre el 80-90 % que habría un terremoto de magnitud entre 7,7 y 8,2 en los próximos 30 años en la región de Tohoku. No predijeron la probabilidad de un terremoto de magnitud 9, como el que ha sufrido dicha región en marzo de 2011, porque la consideraron despreciable. ¿Por qué fracasó su predicción? Nos lo cuenta Takeshi Sagiya (Universidad de Nagoya, Japón), “Rebuilding seismology,” Nature 473: 146–148, 12 May 2011.

La predicción de terremotos a largo plazo en Japón se basa en el análisis estadístico del registro histórico de terremotos de los últimos 400 años. Sin embargo, el terremoto de Tohoku demuestra que 400 años es un plazo de tiempo demasiado corto para evaluar la actividad sísmica. Un gran tsunami comparable al ocurrido en marzo inundó la costa de la zona de Sendai en el año 869 DC. ¿Hay que utilizar toda la información histórica disponible, sin ningún límite, a la hora de predecir futuros terremotos? Muchos sismólogos japoneses están empezando a pensar que sí es necesario hacerlo.

En Japón confluyen varias placas tectónicas, la amuria (parte de la euroasiática), la filipina y la de Ojotsk (parte de la norteamericana). El análisis mediante GPS (Sistema de Posicionamiento Global) del movimiento de estas placas tectónicas durante la última década mostró una discrepancia entre las tasas geológicas y geodésicas de deformación de la corteza terrestre (una tiene un valor un 30% menor que la otra). Esta gran discrepancia se detectó en el año 2000 y se confirmó en 2004. Sin embargo, los científicos japoneses no fueron capaces de encontrar una explicación razonable a este hecho, por lo que dicha discrepancia no fue tenida en cuenta en el análisis de futuros terremotos. ahora sabemos que el gran terremoto de Tohoku ha estado relacionado con esta discrepancia.

La sismólogos japoneses saben ahora que tienen que integrar datos sísmicos, geodésicos, geomorfológicos y geológicos con objeto de mejorar las técnicas actuales de predicción de terremotos. Cualquier inconsistencia entre datos de múltiples fuentes debe ser tenida muy en cuenta. La extensa red de GPS en Japón no había detectado ninguna anomalía justo antes del terremoto porque éste se produjo a 200 kilómetros de la costa, donde no se dispone de datos de GPS. Japón deberá priorizar la investigación en el desarrollo de la tecnología GPS para su aplicación al fondo oceánico. Según los sismólogos esta tecnología es apremiante.

La Agencia Meteorológica de Japón cuenta con uno de los sistemas más avanzados en el mundo para proporcionar advertencias en tiempo real de los tsunamis y temblores. El sistema de alerta temprana del terremoto ha estado en vigor desde 2007 y ha proporcionado más de 10 advertencias de terremotos fuertes (por teléfono móvil (celular), televisión, radio y mediante un sistema de altavoces en las comunidades locales). El sistema detectó el terremoto en la costa de Tohoku y unos 8 segundos emitió una advertencia pública en la región cercana al epicentro. Veintisiete trenes bala fueron detenidos sin problemas. Tres minutos más tarde se emitió la advertencia de tsunamis muy grandes hacia Iwate, Miyagi y Fukushima. Las olas llegaron entre 15-20 minutos más tarde a la costa. Sin embargo, el rendimiento global de este sistema no fue satisfactorio. El sistema subestimó la magnitud del terremoto y la altura del tsunami, por lo que no se advirtió a la población de la región de Tokio, donde muchas zonas experimentaron terremotos fuertes y dañinos. El sistema de alerta temprana de temblores fuertes emitió más de 70 avisos para los terremotos secundarios. El sistema funcionó bien para estos eventos más pequeños, pero hubo algunos errores de estimación de la magnitud por la concurrencia simultánea de varios terremotos.

El terremoto de Tohoku ha demostrado a los sismólogos que los terremotos grandes pueden ocurrir en las regiones sísmicamente muy activas con mayor frecuencia de lo que se pensaba. Algunos sismólogos creen que el análisis de las estadísticas históricas no siempre son suficientes. Parece necesario medir los esfuerzos y las tensiones acumuladas cerca de las fallas. Para ello será necesario realizar pozos de sondeo y mediciones de temperatura en las fallas submarinas. La investigación en nuevas técnicas que faciliten la obtención de estos datos parece una necesidad imperiosa si queremos mejorar las predicciones de futuros terremotos y tsunamis.

La falla de Nueva Madrid o un toque de atención a los que modelan por modelar

dibujo20090313residualvelocitynewmadridfaultinpublications¿Madrid en la revista Science? No, Nueva Madrid. ¿Un barrio de Madrid?. No, una ciudad del Estado de Missouri, EE.UU., atravesada por una falla del mismo nombre, epicentro de gran número de terremotos en la zona central de dicho país. La falla fue famosa en 1811 y 1812 por un par de terrremotos de gran magnitud (M>7). El registro geológico de los últimos 5000 años muestra una gran actividad sísmica. ¿Habrá otro gran terremoto próximamente? Los habitantes de Nueva Madrid deben estar bastante intranquilos. Unos estudios geológicos dicen que la falla se mueve a 0.2 mm/año, otros que a 1.4 mm/año, incluso hay un estudio reciente realizado con GPS durante 3 años que afirma que el valor es menor de 2.0 mm/año. Más aún, un análisis por ordenador mostró que dichos resultados se pueden entender como fluctuaciones con media 0.0 mm/año y con origen sísmico pero no tectónico. ¿Qué significan estos valores? Un movimiento de 0.2 mm/año significa un seísmo de escala M=7 cada 10 mil años y uno de escala M=8 cada 100 mil años, pero uno de 2.0 mm/año implica un seísmo de escala M>7 en los próximos 900 años.

Al grano, ¿se mueve la falla o no se mueve?  ¿Qué es lo que pasa? ¿Por qué varía tanto el valor en los diferentes estudios? Porque el valor varía con el tiempo, como se acaba de publicar un estudio que trata de explicarlo, Eric Calais, Seth Stein, “Time-Variable Deformation in the New Madrid Seismic Zone,” Science 323: 1442, 13 March 2009 . El estudio nos recuerda la gran complejidad de la predicción de terremotos. La hipótesis habitual en la mayoría de los simuladores por ordenador, que la tectónica local se encuentra en un estado estacionario estable, es insostenible en el caso de la falla de Nueva Madrid y quizás también en muchas otras. Dicha hipótesis sobreestima el número de terremotos en unas zonas y lo subestima en otras. Los investigadores no saben por qué fluctúa el movimiento de la falla con el tiempo. Sorprendentemente, la incorporación de estas fluctuaciones como aleatorias (gaussianas de media cero) permite explicar algunos de los resultados de las últimas décadas en la falla.

La figura de abajo muestra una comparación entre las medidas diarias observadas en la sitio RLAP (al norte de la falla) y las obtenidas con un simulador con parámetros perturbados con ruido blanco y coloreado. La simulación reproduce bastante bien la mayoría de las tendencias observadas, así como la pendiente media de la serie temporal (valor observado de -0.9 mm/año versus valor simulado de -0.8 mm/año).

dibujo20090313resultsgpsobservedvsnoisesimulated

Muchos años tratando de mejorar los modelos por ordenador y los efectos físicos considerados para que ahora resulte que los mejores resultados se obtienen suponiendo que los parámetros fundamentales del modelo son puro ruido. Un buen toque de atención para los que modelan por modelar.

Predecir una crisis “de libro” parece fácil, nadie lo hizo, predecir terremotos parece fácil, nadie lo hace

Muchos dicen que la actual crisis financiera no sólo era previsible, sino fácilmente predecible, hasta por cualquier alumno de económicas (que no de empresariales, si hacemos caso al dicho “el que vale, vale, y el que no, a empresariales”). Sin embargo, los todopoderosos lobbies, asesorados por las mejor pagadas mentes del universo financiero internacional, no fueron capaces de predecirla. Es una crisis “de libro.” Mirad las dos siguientes figuras, figura 1 y figura 2, y el comentario que las acompaña. Predecir parece fácil…

Varias veces en los últimos años se ha publicado que los sismólogos japoneses ya son capaces de predecir terremotos. Que ahora los terremotos son fácilmente predecibles. Los temblores de baja intensidad precursores de un gran terremoto empiezan a aparecer hasta cinco años antes. Son pistas que cualquier sismólogo (en España, geólogo especializado en sismología) tiene que saber interpretar si quiere aprobar la asignatura correspondiente (predicción de seismos). Ya en 1975 se predecían terremotos de esta forma. Sin embargo, quién predijo el seísmo de 9 grados en la escala de Richter, el mayor en los últimos 40 años, que provocó el maremoto que sesgó la vida a más de 12.000 personas en el sureste asiático en 2004.

¿Está el caos determinista detrás de la impredicibilidad de ambos fenómenos? El caos determinista caracteriza los sistemas en los que sabemos muy bien por qué ocurren las cosas cuando ocurren, pero pequeños cambios en el estado actual afectan catastróficamente al futuro no muy lejano (el efecto mariposa), con lo que saberlo muy bien nos aporta poco a la hora de predicirlo (el futuro no muy lejano).

¿Está el caos determinista detrás de la impredicibilidad de las crisis financieras y de los terremotos? Algunos opinan que sí. Otros que no. E incluso, algunos, están a mitad de camino, como los indios Bikas K. Chakrabarti, Arnab Chatterjee, y Pratip Bhattacharyya, “Two-fractal overlap time series: Earthquakes and market crashes,” Pramana Journal of Physics, 71: 203-210, August 2008 . Los autores encuentran similitudes entre la serie temporal del comportamiento de los mercados y la de los seismos con un modelo extremadamente simple, dos fractales de Cantor sumados, en los que uno de ellos se desplaza a velocidad relativa uniforme respecto al otro. La coincidencia entre estas 3 series temporales puede ser mera casualidad. O puede ser el reflejo de un modelo genérico no lineal subyacente a ambos fenómenos. En cualquier caso, como los series temporales que muestran comportamiento fractal son prácticamente impredecibles, un modelo correcto de este tipo, caso de que este lo fuera, que obviamente no lo es, no nos aporta nada a la predecir lo impredecible de los mercados o de los terremotos.

Por cierto, yo he trabajado algo en aplicaciones cuánticas de fractales de Cantor en física del estado sólido (modelos computacionales, claro). Os puedo asegurar que, incluso en modelos con geometría fractal muy simple, hay grandes dificultades a la hora de interpretar “físicamente” las soluciones matemáticas “formales” que se obtienen. El resultado matemático “es” el que es. Pero, qué significa. Nada. Bueno, no seamos “radicales,” seamos “reales.”  Todo se arregla afirmando que no existen “físicamente” los fractales, solamente existen prefractales (por debajo de cierta escala el modelo fractal deja de ser aplicable). Desafortunadamente, muchas veces, las soluciones matemáticas para los prefractales no se pueden obtener de forma cerrada, aunque se pueden obtener las de los fractales (el límite). Es como utilizar el “adónde hemos llegado” para relatar la historia del “cómo hemos llegado.” No sirve para nada. Pero no me puedes negar lo bonito que quedan los papers “rellenos” de gráficos fractales. Tienen cierta belleza. ¿Has leído el libro “The Fractal Beauty of Nature,” de Benoit B. Mandelbrot? ¡Uy!, ¡perdón! “The Fractal Geometry of Nature.” Es todo un clásico, y como tal lo tengo en mi estantería, pero, hoy por hoy, hay libros mejores sobre el tema.

Por cierto, si hablamos de fractales y mecánica cuántica no puedo dejar de mencionar las ideas sobre el espaciotiempo fractal del genial Laurent Nottale, quien “deduce” la mecánica cuántica no relativista en dicho contexto (el libro “Fractal Space-Time and Microphysics: Towards a Theory of Scale Relativity,” World Scientific, 1993, aparte de caro, es una buena lectura al respecto, si lo encuentras en alguna biblioteca universitaria; lo confieso, mi “copia” es una fotocopia). Nottale, para algunos un genio, para otros un “geek,” ha logrado un gran número de seguidores, como El Naschie, del que ya hablamos en este blog. En mi modesta opinión personal, a sus ideas les falta un “principio,” una razón. Él propone una idea curiosa y obtiene unos resultados sorprendentes, recupera gran parte de lo conocido a partir de lo desconocido (la matemática de los fractales todavía está “en pañales”). Sus resultados son más numerológicos que “razonables.” Ese es su problema. Muchos aluden a que Einstein tuvo una “gran” ventaja, la matemática de las variedades riemannianas era “nueva” pero tenía más de 30 años cuando necesitó de ella. Muchos aluden que Nottale tiene una “gran desventaja,” la matemática de las variedades “riemannianas” fractales está aún por desarrollar (ahora mismo sólo se tienen ideas muy vagas, descritas por físicos, falta mucho trabajo matemático para instanciarlas en “verdades” matemáticas).

No sé por qué, pero con una copa de cava de más, desvarío más de la cuenta. ¿Se me nota? ¿Qué os quería contar? He perdido el hilo…

PS: ¡Cómo va a quedar una botella de cava con un culín! Hay que tomárselo. Tras mi última “copa,” he tratado de releer lo que he escrito (mi mujer, también aficionada al cava, ya se ha ido a la cama) y sigo sin enterarme de lo que quería decir… así que si no te enteras de lo que va, no te preocupes, ni el autor lo sabe.