Time series of radon in air & anomalies as precursors of seismic activity

إن الأرض تحت أقدامنا نادراً ما تكون ساكنة كما تبدو. ففي المناطق التي تحتك فيها الصفائح التكتونية ببعضها البعض، تكون القشرة الأرضية تحت ضغط مستمر وغير مرئي. وقبل وقوع زلزال كبير بفترة طويلة، يمكن لهذا الضغط أن يتسبب في فتح وإغلاق شقوق صغيرة داخل الصخور، مما يغير كيفية خروج الغازات المحتبسة في أعماق الأرض إلى السطح. أحد هذه الغازات هو الرادون، وهو عنصر طبيعي غير مرئي يتسرب من التربة. ولعقود من الزمن، تساءل العلماء عما إذا كانت الارتفاعات المفاجئة في مستويات الرادون يمكن أن تعمل كعلامة تحذير، كهمس خافت من الأرض يشير إلى أن هزة عنيفة قادمة. وكان التحدي دائماً يكمن في فصل هذه الإشارات التحذيرية المحتملة عن ضجيج الحياة اليومية، مثل التغيرات في الطقس أو الرياح أو الرطوبة، والتي تؤثر أيضاً على كمية الرادون التي تصل إلى الهواء.

في دراسة حديثة ركزت على جزيرة كريت، شرع باحث يدعى نيكوس بيتراكيس في اختبار ما إذا كانت تقلبات الغاز هذه يمكن أن تتنبأ بالفعل بالنشاط الزلزالي. تقع كريت في واحدة من أكثر مناطق الزلازل نشاطاً في أوروبا، مما يجعلها موقعاً حيوياً لمثل هذا البحث. لم يكن الهدف هو الادعاء بوجود نظام تنبؤ مثالي، بل لمعرفة ما إذا كان نوع معين من التحليل الحاسوبي يمكنه رصد نمط يرتفع فيه مستوى الرادون قبيل وقوع الزلزال، حتى عندما تتغير الظروف الجوية. ومن خلال الجمع بين قياسات الهواء المحلية وبيانات من أداة تعلم آلي قوية، هدفت الدراسة إلى التمييز بين طفرة غاز ناتجة عن عاصفة، وأخرى ناتجة عن استعداد الأرض للتحرك.

أُجري البحث على مدار فترة سبعة أشهر، من يونيو 2023 إلى يناير 2024، في الجزء الشمالي الشرقي من كريت. وضع العالم جهاز مراقبة هواء حساساً على منحدر جبلي على ارتفاع 540 متراً، وبارتفاع حوالي 2.5 متر فوق سطح الأرض، لتتبع مستويات الرادون باستمرار. هذا الجهاز، وهو وحدة مدمجة مصممة للاستخدام المنزلي ولكنها قادرة على القياس بدقة عالية، سجل تركيز الرادون في الهواء في كل لحظة. ولضمان موثوقية البيانات، جمع الباحث أيضاً تقارير الطقس اليومية من محطة رسمية قريبة، متتبعاً درجة الحرارة، والضغط الجوي، والرطوبة، وهطول الأمطار، وسرعة الرياح. وكان هذا أمراً بالغ الأهمق لأن تغيرات الطقس يمكن أن تدفع الرادون للأعلى أو للأسفل، مما قد يحجب الإشارات الناتوة عن الزلزال.

ولفهم هذا التدفق الهائل من البيانات، استخدمت الدراسة طريقة حاسوبية متطورة تُعرف باسم "تعزيز التدرج الشديد" (Extreme Gradient Boosting). فكر في هذه الأداة كمحرك عالي التدريب للتعرف على الأنماط، يمكنه تعلم العلاقات المعقدة وغير الخطية بين المتغيرات المختلفة. وبدلاً من البحث عن خط مستقيم بسيط، تعلم هذا النظام كيف يؤثر مزيج من الرياح والضغط ودرجة الحرارة عادةً على مستويات الرادون. وبمجرد أن فهم الكمبيوتر السلوك "الطبيعي" للغاز تحت ظروف جوية مختلفة، أصبح بإمكانه تحديد متى انحرفت مستويات الرادون بشكل ملحوظ عما كان متوقعاً. وقد حدد الباحثون الانحراف الكبير بأنه التغيير الكافي للبروز بوضوح عن المتوسط الموسمي، وتحديداً بالبحث عن الطفرات التي تزيد عن انحرافين معياريين عن المعدل الطبيعي.

كشفت نتائج هذا التحليل عن صلة مقنعة. فخلال فترة الدراسة، حدد النموذج الحاسوبي عدة حالات ارتفع فيها مستوى الرادون في الهواء بشكل غير متوقع. ولم تكن هذه الارتفاعات عشوائية؛ فقد تبعتها زلازل تراوحت أقدارها بين 4.3 و5.1 درجة. ركزت الدراسة على الزلازل التي وقعت ضمن مسافة محددة من محطة المراقبة، وهي منطقة تم حسابها بناءً على حجم الزلزال والفيزياء المعروفة لكيفية تشوه الأرض قبل وقوع الزلزال. وأظهرت البيانات أنه في هذه الحالات المحددة، ظهرت شذوذات الرادون قبل أيام قليلة من بدء الاهتزاز. وأكد الاختبار الإحصائي أن هذه العلاقة من غير المرجح أن تكون مجرد مصادفة، مع وجود احتمالية منخفضة لحدوث هذا النمط عن طريق الصدفة.

ومع ذلك، فإن الدراسة حريصة على صياغة هذه النتائج كاقتراح وليس كسرٍّ تم حله. ويشير الباحث إلى أن فترة المراقبة كانت قصيرة نسبياً، وأن الاعتماد على محطة مراقبة واحدة يحد من القدرة على استخلاص استنتاجات واسعة النطاق. فالأرض نظام معقد، وبينما تشير البيانات إلى أن زيادة الرادون يمكن أن تعمل كإشارة أولية للأحداث الزلزالية في هذه المنطقة المحددة، إلا أنها ليست إنذاراً مضموناً لكل زلزال. ولا يزال تأثير الطقس عاملاً قوياً لا يمكن تجاهله، وتؤكد الدراسة أن جدولاً زمنياً أطول وعدة مستشعرات ستكون مطلوبة لبناء فهم أكثر قوة.

في نهاية المطاف، تضيف هذه العمل قطعة صغيرة ولكنها مهمة في لغز التنبؤ بالزلازل. فهي توضح أنه باستخدام الأدوات الصحيحة، من الممكن تصفية ضجيج الطقس اليومي للعثốt على الإشارات الدقيقة، وربما الخطيرة، لحركة الأرض. وبينما يظل القدرة على التنبؤ بالزلازل بيقين أمراً بعيد المنال، فإن دراسات مثل هذه تظهر أن مراقبة الرادون، عند دمجها مع تحليل البيانات المتقدم، توفر مساراً واعداً للمضي قدماً. وبالنسبة لمنطقة مثل كريت، حيث يمثل تهديد الزلازل المدمرة واقعاً مستمراً، فإن كل طريقة جديدة قد توفر بضعة أيام من الإنذار هي خطوة نحو إنقاذ الأرواض وحماية المجتمعات.