地震是自然災害中獨一無二的，因為它們在發生前沒有任何預警。以 1989 年 10 月 17 日襲擊舊金山灣區的 Loma Prieta 地震為例，當時正值舊金山巨人隊和奧克蘭 A's 隊之間晚間世界大賽熱身賽進行之際。下午 5:04，聖安德烈亞斯斷層的突然滑動以足夠的力量震撼了該地區，震塌了一段 1.5 英里的雙層高速公路以及連線奧克蘭和舊金山的舊金山-奧克蘭海灣大橋的部分路段。 超過 60 人喪生。
多年來，科學家們一直在尋找某種訊號——哪怕是微弱的先兆——能夠讓預報員準確地確定大地震發生的確切地點和時間，從而使人們能夠避開危險。經過數十年的徒勞搜尋，許多地震學家現在懷疑這種訊號是否真的存在。
然而，並非所有希望都已破滅。在地震最初的細微震動發生後幾秒鐘內，科學家們現在可以相當肯定地預測震動的強度和範圍。透過將新的科學技術與現代通訊技術相結合，當局可以向身處險境的人們發出幾十秒甚至半分鐘的預警。這聽起來可能不多，但足以向發電廠和鐵路網路傳送關閉警告，自動開啟電梯門並提醒消防員。
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Loma Prieta 地震的震中位於海灣以南崎嶇的聖克魯斯山脈。地面開始震動後，破壞性振動花了 30 多秒才傳播 60 英里到達舊金山和奧克蘭，那裡是 80% 以上死亡事件的發生地。 如果當時存在地震預警系統，則可以為該地區中心提供大約 20 秒的預警。 這足以減速和停止火車，向即將降落的飛機發出“復飛”指令，並將紅綠燈變成紅色——防止汽車進入橋樑和隧道等危險結構。 危險工作環境中的工人可以轉移到安全區域，敏感裝置可以進入保持模式，從而減少損壞和損失。 學童和辦公室工作人員可以在震動到來之前躲到桌子底下。 該地區將準備好迎接即將到來的暴力。
此類網路正在世界各地部署，地點遍及墨西哥、臺灣、土耳其和羅馬尼亞等地。 日本的系統是最先進的系統之一。 全國性網路透過大多數電視和廣播電臺、多家手機運營商以及購物中心和其他公共場所的公共廣播系統釋出預警。 自該系統上線三年半以來，已有十多次地震觸發了廣泛的警報。 工廠、學校、火車和汽車上的人們獲得了寶貴的幾秒鐘時間來做好準備； 警報發出後，沒有關於恐慌或高速公路事故的報告。 美國落後於世界其他地區，但在加利福尼亞州部署的新試驗平臺應很快在該斷層遍佈的州建立全面的預警系統。
加利福尼亞州早就應該迎來下一次大地震了。 如果我們現在建立預警系統，我們就可以拯救生命。
從地震波到預警
我們腳下的地面正在移動。 隨著構造板塊在地球表面漂移，大陸板塊相互研磨和碰撞，就像高速公路連環相撞的汽車一樣。 地球的地殼——我們居住的板塊外層——具有彈性，但僅在一定程度上。 在板塊邊界處，地殼彎曲，直到應變變得太大。 當它斷裂時，先前幾十年儲存起來的能量會撕裂地球表面，震動其路徑中的一切。
每天發生數百次地震。 幸運的是，大多數地震都很小，如果沒有靈敏的地震儀的幫助，我們永遠不會知道它們。 在日常地震中，斷層面僅滑動三到六英尺； 人類無法感受到震動。 在 5.0 級地震中，一兩英里的斷層面破裂； 人類可以輕易感受到震動，但現代建築物可以承受它。 在 8.0 級地震中，破裂會沿著斷層面傳播數百英里，撕裂可能會延伸到地表。 它會將建築物撕成兩半。
透過監測地震之間應變的累積，地震學家知道地殼的許多區域都接近破壞。 但是，地表深處斷層的詳細結構也在地震破裂的成核和傳播中發揮著重要作用——這種結構無法直接取樣。 因此，大多數地震學家不相信有可能建立一個能夠預測大地震將在數小時或數天前發生的預報系統。 在可預見的未來，任何人能夠做的最好的事情就是快速檢測到大地震併發出警報。
地震的一些獨特特徵有助於完成這項任務。 我們感知到的一個持續的震動實際上是分階段發生的。 來自地殼斷裂的能量以兩種形式在地球中傳播：P 波和 S 波。 兩種型別的波同時離開斷層面，但相似之處也到此為止。 P 波，像聲波一樣，是壓縮波。 它們傳播速度相對較快，但能量不大。 在地震期間，您會感覺到 P 波是突然的垂直撞擊。 S 波更像海浪，移動緩慢，包含大部分能量並帶來最強烈的震動。 地面運動是水平和垂直的，它們可以將整棟建築物像衝浪中的小艇一樣拍打。
此外，並非所有波看起來都一樣； 它們的形狀因滑動面的大小而異。 小滑動面的 P 波輻射具有相對較低的振幅和較高的頻率——一個小的但尖銳的脈衝。 較大的地震會使斷層的較大區域破裂並具有更大的滑動，因此 P 波的振幅更大，頻率更低。 這類似於小鳥的吱吱叫聲和灰熊的咆哮之間的區別。
單個地震儀可以僅根據此資訊估計地震的震級。 任何具有高振幅和低頻率的 P 波都會觸發警報。 這種單站方法是在震中附近發出警告的最快方法。 然而，地震破裂的特性各不相同——並非所有 5.0 級地震看起來都一樣——並且地震儀下方的特定沉積物會修改 P 波。 這種可變性增加了誤報（沒有地震時發出警告）和漏報（正在發生破壞性地震時）的風險。
為了降低誤報和漏報的可能性，我們可以結合相距幾英里的多個地震儀記錄的資料。 在這種設定中，每個儀器下方的沉積物將是不同的，因此我們可以獲得震級的平均估計值。 這種方法需要地震網路將儀器資料傳輸到中央站點，然後對其進行整合。 然而，傳輸和分析資料需要幾秒鐘，並且在每過去一秒鐘，破壞性 S 波都會傳播另外兩到三英里。
因此，最好的方法是將單站方法和基於網路的方法結合起來，這為震中附近區域的快速預警和遠處位置的數十秒預警提供了可能性。
任何系統都必須在準確性和可用預警時間之間做出權衡。 隨著地震網路收集更多關於地震的資料，預測將得到改善，但震動的時間將減少。 一些使用者可能會容忍更多的誤報和漏報，以獲得更多的預警時間。 例如，學校可能更希望儘早收到預警，以便孩子們可以躲避。 每年幾次誤報可以提供必要的定期演習，以便每個人都知道該怎麼做。 相比之下，核電站只需要一秒鐘即可關閉反應堆——但這樣做會付出巨大的代價。 那裡的運營商會希望等到極端震動確定發生時再採取行動。
近距離和遠距離警報
公共地震預警系統以一種或另一種形式存在了幾十年。 在 1960 年代，日本工程師在新幹線高速列車的軌道上安裝了地震儀。 過度震動會發出警報，讓列車員有機會減速。 後來，科學家們設計了使用遠距離地震儀在最強烈震動到來之前傳遞預警的系統。 墨西哥的網路旨在探測海岸線附近的地震，並在墨西哥城（一個擁有 2000 多萬人口的古老都市，建在放大地震波的淤泥湖床上）廣播預警。 海岸與城市之間的距離可以提供超過 60 秒的預警時間。
墨西哥的系統於 1993 年上線。 兩年後，它將經歷第一次嚴峻的考驗。 1995 年 10 月 9 日，一場 8.0 級地震襲擊了曼薩尼約海岸附近。 預警系統檢測到震動，並透過墨西哥城的電視臺和廣播電臺以及類似於美國天氣預報無線電的專用無線電預警系統廣播了警報。 由於預警，官員們能夠在震動到來前 50 秒停止地鐵系統，學校也按計劃疏散。
日本的系統於 2007 年投入使用，大量使用了個人技術。 警報不僅透過電視和廣播發布，還透過家庭、辦公室和學校的專用接收器釋出。 計算機上的彈出視窗顯示即時地圖，其中包含震中的位置和輻射狀地震波。 計時器倒計時到您所在位置的震動，並突出顯示預測強度。 手機運營商向所有手機廣播類似簡訊的警告，並帶有特有的聲音警報。 核電站、鐵路系統、機場和危險製造設施等關鍵行業使用針對其需求量身定製的專用通訊系統。
日本的經驗表明，地震預警系統不僅有助於保護生命，還有助於提高盈虧底線。 2003 年，日本仙台附近的兩次地震給 OKI 半導體制造廠造成了超過 1500 萬美元的損失，原因是火災、裝置損壞和生產力損失。 地震發生後，該工廠不得不分別停產 17 天和 13 天。 隨後，該公司花費 60 萬美元改造工廠並安裝預警系統。 在此後的兩次類似地震中，該工廠僅遭受了 20 萬美元的損失，停產時間分別為 4.5 天和 3.5 天。
加利福尼亞的詛咒
加利福尼亞州是地震之鄉。 2006 年，一個由大學以及州和聯邦機構組成的聯盟聯合起來開發了 ShakeAlert，這是一個針對該州的預警系統。 目前，一個原型系統將大約 400 個地震臺站連線在一起，並很快將向一小群測試使用者傳送警報。 最終完成的系統不僅將向震中附近的人們提供即時單站警報，還將向遠處的人們提供廣泛的基於網路的警報。 如果一切順利，警報將在第一個 P 波到達後五秒鐘內可用。
然而，加利福尼亞州要實現像日本那樣全面的網路覆蓋還有很長的路要走。 現有的 400 個地震臺站集中在舊金山灣區和洛杉磯都會區周圍，其他地方留有空白。 儘管大多數加州人居住在這兩個區域附近，但空白既減慢了系統的速度，又降低了系統的準確性，因為在多個位置檢測 P 波需要更長的時間。 在日本，儀器遍佈全國，每 15 英里間隔一個。 加利福尼亞州的這種間隔水平將提供最佳的系統性能，誤報和漏報更少，預警時間更長。
這些警報就像日本的警報一樣，將利用大多數人每天攜帶的網路裝置。 個人將在他們的手機上收到警報，指示預測的震動強度、震動開始前的倒計時，以及可能簡單的指示，例如“躲到桌子底下”或“移動到您的安全區”。 基礎設施分佈在較大區域的較大組織可能需要更詳細的資訊，例如顯示地震波傳播和受影響區域地面震動分佈的即時地圖。
與大地震的潛在危險相比，這樣一個系統只需要適度的投資——100 個新的地震臺站和現有基礎設施的升級，總成本為 8000 萬美元。 五年後，該系統就可以啟動並執行。 六年後，我們可能會非常慶幸它存在。