幾周前，地震學家湯姆·希頓正在與一位記者通電話，極力讚揚他幫助發明的一種新型地震早期預警系統的優點。突然，警報在他洛杉磯地區的辦公室電腦螢幕上閃爍。“哦，它剛剛彈出來了！舊金山發生了地震，地震波大約在兩分半鐘後到達我這裡，”希頓瞥了一眼說道。“但震級是[里氏] 2.8級，所以我們不會感覺到。”
希頓是加州理工學院地震工程研究實驗室主任，他是加州研究人員團隊的一員，該團隊負責開發名為ShakeAlert的新型預警系統。該系統由地震最早的震波觸發，這種震波非常輕微，人類無法感覺到。
目前，只有這些研究人員會收到即將發生地震的預警。但這種情況可能很快就會改變，因為加州州長傑裡·布朗在九月份簽署了一項法案，該法案將啟動向整個金州公眾提供這些警報的程序。希頓甚至有更大的希望在整個西海岸推廣該系統，因為研究人員預測，未來50年內，俄勒岡州南部海岸發生大地震的機率為40%。
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目前阻礙 ShakeAlert 發展的唯一因素是價格：州級系統需要 8000 萬美元*。這將購買更多的監測站（每個監測站的地震儀、GPS 儀器和資料記錄儀成本為 2 萬至 3 萬美元）；更強大的通訊網路來傳輸訊號；以及嚴格的壓力測試，以確保系統即使在最強烈的地震中也能正常執行。完成所有這些之後，該系統每年還需要約 1600 萬美元的執行費用。“專家告訴我們，如果第一年的資金到位，他們可以在三年內部署該系統，”加州州參議員、該法案的提出者亞歷克斯·帕迪拉說。“我們等待的時間越長，獲得收益所需的時間就越長。”
到目前為止，立法者尚未為該系統撥款。州長布朗已要求緊急服務辦公室 (Cal OES) 在 2016 年之前制定 ShakeAlert 的融資計劃，但已明確表示，該州960 億美元的普通基金不在考慮範圍內。該機構計劃成立一個委員會來探索各種方案，帕迪拉表示，這些方案可能包括公私合作、電信附加費、重新分配的高速鐵路資金或聯邦撥款。“目前，挑戰之一肯定是成本，”Cal OES 的發言人格雷格·雷尼克說。“我們將研究其他國家的系統是如何 финансирования 的，以及是否有任何經驗可以應用於加利福尼亞州。”
ShakeAlert 的模型借鑑了墨西哥、中國和義大利的成功系統，以及一個為 5200 萬日本公民爭取到寶貴時間為 2011 年 9.0 級東日本大地震做準備的系統。
最常被引用的成功案例之一是日本的衝電氣工業株式會社，該公司在一家微晶片製造廠因 2003 年兩次地震遭受 1500 萬美元損失後，在該工廠安裝了自己的地震早期預警系統。在安裝了價值 60 萬美元的系統後，又發生了兩次類似的地震——而這一次，修復損失僅花費了 20 萬美元。工廠在短短幾天內就恢復了運轉，而不是像 2003 年那樣需要幾周時間才能恢復線上。
加州系統 8000 萬美元的價格標籤可能看起來很高，但今年 Cal OES 的總預算為 12 億美元，而州政府本身的年度預算為 1450 億美元*。“如果你考慮到地震破壞和賠償以數十億美元計，而我們只要求投入數百萬美元來建設，這簡直是小菜一碟，”伯克利地震實驗室的發言人詹妮弗·斯特勞斯說。
與此同時，時間正在流逝——加利福尼亞州是美國城市地區斷層線密度最高的州，並且根據《自然》雜誌最近發表的一份報告，未來 30 年內有 99% 的可能性發生 6.7 級或更強烈的地震，該報告由伯克利實驗室主任、美國最傑出的地震學家之一理查德·艾倫撰寫。他的實驗室在過去六年裡與加州理工學院、美國地質調查局、蘇黎世瑞士聯邦理工學院和南加州地震中心合作建立了 ShakeAlert。（《大眾科學》是自然出版集團的一部分。）
即使資金尚未到位，科學基礎仍然是堅實的。該系統之所以有效，是因為地震以兩種波的形式傳播。P 波（或縱波）首先到達，它們非常輕微，人類無法察覺（儘管貓和狗可以感覺到它們）。它們從震中向外擴散，比 S 波（或橫波）提前幾秒到達，S 波會引起我們認為是地震的震動和破壞。“最簡單的解釋是，來自地震震中區域的資訊可以以光速到達我們這裡，而地震波必須以大約每秒兩英里的較慢速度傳播，”加州理工學院的希頓說。“因此，我們可以告訴不在震中的人們，地震波正在襲來。”
一旦 P 波在 ShakeAlert 合作機構維護的遍佈全州的 400 個地震儀組中登記，原始資料就會立即傳輸到一套中央軟體，該軟體使用三種演算法計算對其進行處理：第一種演算法稱為ElarmS，它從多個地震儀收集資料，並計算地震的位置和震級。第二種演算法稱為 Onsite，它僅根據一個地震儀（理想情況下位於震中附近）進行相同的操作。最後一種演算法稱為 Virtual Seismologist，它將地形和最近的地震活動新增到分析中。
一旦這些演算法在幾秒鐘內完成應用，資料就會傳遞到另一個名為決策模組的軟體，該模組會立即綜合資料並向用戶發出警報，包括地震的震級、位置和預計的震動程度（弱、中、強或非常強）。安裝在使用者裝置（無論是筆記型電腦、智慧手機、收音機還是電視）上的軟體會根據地震波在地球地殼中傳播速度的估計值，將此資訊轉換為他們特定位置的倒計時。使用者可以期望的最長提前預警時間為兩分半鐘。許多預警時間會明顯縮短，具體取決於與震中位置的距離。當然，該系統對那些不幸居住在震源地的人無濟於事。
但即使是幾秒鐘的預警時間也足以讓人們採取掩護、尋找避難所或將車輛靠邊停車以應對大地震。訊號還可以被引導到自動化系統中，這些系統可以關閉工廠裝置、警告即將到來的飛機避開跑道並通知醫生，以便他們停止精細的醫療程式。一旦訊號公開可用，開發和分發這些應用程式將主要成為私營部門的工作。
目前，來自加州預警系統的警報僅廣播給 50 位科學家和加州綜合地震網路的 36 個合作伙伴，該網路是運營演示系統的機構組。該訊號尚未向公眾釋出，因為研究人員首先要確保其儘可能準確。在 2009 年 4 月 6.3 級地震襲擊拉奎拉市之前，義大利的六位地震學家和一位政府官員因低估地震風險而在 2012 年被判犯過失殺人罪並被判處六年監禁。
谷歌、安進、洛杉磯市和舊金山灣區捷運 (BART) 是已經接收到訊號的合作伙伴之一。停止一列 BART 列車需要 24 秒，交通管理局已經安裝了一個由 ShakeAlert 觸發的自動制動系統，以便在即將發生大地震時停止列車，從而大大降低脫軌和死亡的風險。
展望未來，美國地質調查局似乎是運營加利福尼亞州或整個西海岸早期預警系統的當然之選。但希頓表示，該機構的預算已削減至 30 年前的不到三分之一。“對於我們這些從事地震業務的人來說，除非地震中有人死亡，否則我們不會獲得任何新的資源，”希頓說。“這真是一個可悲的局面。”
約翰·維代爾是華盛頓大學的地震學家，也是太平洋西北地震網路的主任，該組織正在努力將加州系統擴充套件到華盛頓州和俄勒岡州，他對此持更樂觀的態度。他認為，隨著西海岸越來越多的人瞭解該系統的潛力，公眾壓力將會增加。“我的感覺是，對早期預警系統的需求壓力將持續增加，直到我們擁有它為止，”維代爾說。“這只是時間快慢的問題。”
以及它是否會在下一次大地震之前到來。
*更正（2014 年 2 月 7 日）：本文的早期版本列出了加州州級系統的成本為 1.2 億美元。1.2 億美元是覆蓋整個西海岸的系統的成本。
本文由Scienceline提供，Scienceline是紐約大學科學、健康與環境報道專案的一個專案。