VAN-Methode - VAN method

Die VAN-Methode – benannt nach P. Varotsos , K. Alexopoulos und K. Nomicos, den Autoren der sie beschreibenden Veröffentlichungen von 1981 – misst niederfrequente elektrische Signale, die als „seismische elektrische Signale“ (SES) bezeichnet werden haben erfolgreich Erdbeben in Griechenland vorhergesagt . Sowohl die Methode selbst als auch die Art und Weise, mit der erfolgreiche Vorhersagen behauptet wurden, wurden heftig kritisiert. Anhänger von VAN haben auf die Kritik reagiert, aber die Kritiker haben ihre Ansichten nicht zurückgezogen.

Seit 2001 hat die VAN-Gruppe ein Konzept eingeführt, das sie "natürliche Zeit" nennen und auf die Analyse ihrer Vorläufer angewendet werden. Zunächst wird es auf SES angewendet, um sie von Lärm zu unterscheiden und sie auf ein mögliches bevorstehendes Erdbeben zu beziehen. Im Verifikationsfall (Klassifizierung als „SES-Aktivität“) wird zusätzlich eine natürliche Zeitanalyse auf die allgemeine Folgeseismizität des mit der SES-Aktivität verbundenen Gebiets angewendet, um den Zeitparameter der Vorhersage zu verbessern. Die Methode behandelt den Ausbruch von Erdbeben als ein kritisches Phänomen .

Nach 2006 gab VAN an, dass alle Alarme im Zusammenhang mit SES-Aktivitäten veröffentlicht wurden, indem sie auf arxiv.org veröffentlicht wurden . Ein solcher Bericht wurde am 1. Februar 2008 veröffentlicht, zwei Wochen vor dem stärksten Erdbeben in Griechenland im Zeitraum 1983-2011. Dieses Erdbeben ereignete sich am 14. Februar 2008 mit einer Magnitude (Mw) von 6,9. Der Bericht von VAN wurde auch in einem Artikel in der Zeitung Ethnos vom 10. Februar 2008 beschrieben. Gerassimos Papadopolous beschwerte sich jedoch, dass die VAN-Berichte verwirrend und mehrdeutig seien und dass "keine der Behauptungen für erfolgreiche VAN-Vorhersagen gerechtfertigt ist", aber dies Beschwerde wurde zum gleichen Thema beantwortet

Beschreibung der VAN-Methode

Die Vorhersage von Erdbeben mit dieser Methode basiert auf der Detektion, Aufzeichnung und Auswertung von seismischen elektrischen Signalen oder SES. Diese elektrischen Signale eine Fundamentalfrequenzkomponente von 1 Hz oder weniger und eine Amplitude des Logarithmus welcher skaliert mit der Stärke des Erdbebens . Laut VAN-Befürwortern werden SES von Gesteinen emittiert, die unter Spannungen durch plattentektonische Kräfte stehen. Es gibt drei Arten von gemeldeten elektrischen Signalen:

• Elektrische Signale, die kurz vor einem großen Erdbeben auftreten. Signale dieser Art wurden beispielsweise 6,5 Stunden vor dem Erdbeben von Kobe 1995 in Japan aufgezeichnet .
• Elektrische Signale, die einige Zeit vor einem großen Erdbeben auftreten.
• Eine allmähliche Veränderung des elektrischen Feldes der Erde einige Zeit vor einem Erdbeben.

Zur Erklärung von SES wurden mehrere Hypothesen vorgeschlagen:

• Spannungsbedingte Phänomene: Seismische elektrische Signale werden möglicherweise dem piezoelektrischen Verhalten einiger Mineralien , insbesondere Quarz , oder Effekten im Zusammenhang mit dem Verhalten von kristallographischen Defekten unter Spannung oder Dehnung zugeschrieben. Eine Reihe von SES, die als SES-Aktivitäten bezeichnet werden (die vor größeren Erdbeben aufgezeichnet werden), können einige Wochen bis einige Monate vor einem Erdbeben auftreten, wenn die mechanische Spannung einen kritischen Wert erreicht. Die Erzeugung elektrischer Signale durch Minerale unter hoher Belastung, die zum Bruch führen, wurde durch Laborexperimente bestätigt.
• Thermoelektrische Phänomene: Alternativ schlugen chinesische Forscher einen Mechanismus vor, der auf dem thermoelektrischen Effekt in Magnetit beruht.
• Grundwasserphänomene: Es wurden drei Mechanismen vorgeschlagen, die auf dem Vorhandensein von Grundwasser bei der Erzeugung von SES beruhen. Der elektrokinetische Effekt ist mit der Bewegung des Grundwassers bei einer Porendruckänderung verbunden. Der seismische Dynamoeffekt ist mit der Bewegung von Ionen im Grundwasser relativ zum Erdmagnetfeld verbunden, da eine seismische Welle eine Verschiebung erzeugt. Eine zirkuläre Polarisation wäre charakteristisch für den seismischen Dynamoeffekt, und dies wurde sowohl bei künstlichen als auch bei natürlichen seismischen Ereignissen beobachtet. Auch ein Radon-Ionisationseffekt, verursacht durch Radonfreisetzung und anschließende Ionisation von Stoffen im Grundwasser, kann aktiv sein. Das Hauptisotop von Radon ist radioaktiv mit einer Halbwertszeit von 3,9 Tagen, und der nukleare Zerfall von Radon hat bekanntlich eine ionisierende Wirkung auf die Luft. Viele Veröffentlichungen berichten von einer erhöhten Radonkonzentration in der Nähe einiger aktiver tektonischer Verwerfungen einige Wochen vor starken seismischen Ereignissen. Eine starke Korrelation zwischen Radonanomalien und seismischen Ereignissen wurde jedoch nicht nachgewiesen.

Während der elektrokinetische Effekt mit einer Signalerkennung in einer Entfernung von mehreren Dutzend oder Hunderten von Kilometern konsistent sein kann, erfordern die anderen Mechanismen einen zweiten Mechanismus, um die Ausbreitung zu berücksichtigen:

• Signalübertragung entlang von Verwerfungen: In einem Modell breiten sich seismische elektrische Signale mit relativ geringer Dämpfung entlang tektonischer Verwerfungen aus , aufgrund der erhöhten elektrischen Leitfähigkeit, die entweder durch das Eindringen von Grundwasser in die Verwerfungszone(n) oder durch die ionischen Eigenschaften der Mineralien verursacht wird .
• Gesteinskreis: Im Defektmodell kann das Vorhandensein von Ladungsträgern und Löchern als ausgedehnter Kreis modelliert werden.

Seismische elektrische Signale werden an Stationen erfasst, die aus Elektrodenpaaren (orientiert NS und EW) bestehen, die mit Verstärkern und Filtern in den Boden eingelassen sind. Anschließend werden die Signale an die VAN-Wissenschaftler in Athen übermittelt, wo sie aufgezeichnet und ausgewertet werden. Derzeit betreibt das VAN-Team 9 Stationen, während es sich in der Vergangenheit (bis 1989) bis zu 17 leisten konnte.

Das VAN-Team behauptete, Erdbeben mit einer Stärke von mehr als 5 mit einer Unsicherheit von 0,7 Magnitudeneinheiten in einem Umkreis von 100 km und in Zeitfenstern von mehreren Stunden bis zu einigen Wochen vorhersagen zu können . Mehrere Veröffentlichungen bestätigten diese Erfolgsrate, was zu einer statistisch signifikanten Schlussfolgerung führte. Zum Beispiel gab es in Griechenland vom 1. Januar 1984 bis zum 10. September 1995 acht M ≥ 5,5 Erdbeben, und das VAN-Netz prognostizierte sechs davon.

Die VAN-Methode wurde auch in Japan verwendet, aber in frühen Versuchen waren vergleichbare Erfolge wie in Griechenland "schwierig" zu erzielen. Eine vorläufige Untersuchung seismischer elektrischer Signale in Frankreich führte zu ermutigenden Ergebnissen.

Erdbebenvorhersage mit "natürlicher Zeit"-Analyse

Seit 2001 versucht das VAN-Team, die Genauigkeit der Schätzung des Zeitpunkts des bevorstehenden Erdbebens zu verbessern. Zu diesem Zweck führten sie das Konzept der natürlichen Zeit ein , eine Technik der Zeitreihenanalyse, die einen auf der Reihenfolge von Ereignissen basierenden Prozess in den Vordergrund stellt. Zwei Begriffe charakterisieren jedes Ereignis, das „natürliche Zeit“ χ , und die Energie Q . χ ist definiert als k / N , wobei k eine ganze Zahl (das k -ten Ereignis) und N ist die Gesamtzahl der Ereignisse in der Zeitfolge von Daten. Ein verwandter Term, p _k , ist das Verhältnis Q _k / Q _total , das die freigesetzte fraktionelle Energie beschreibt. Sie führen einen kritischen Term κ ein , die "Varianz in der natürlichen Zeit", der dem Energieterm p _k zusätzliches Gewicht _verleiht :

${\displaystyle \kappa =\sum_{k=1}^{N}p_{k}(\chi_{k})^{2}-{\bigl(}\sum_{k=1}^{ N}p_{k}\chi_{k}{\bigr)}^{2}}$

wo und${\displaystyle \textstyle \chi_{k}=k/N}$${\displaystyle \textstyle \ p_{k}={\frac {Q_{k}}{\sum _{n=1}^{N}Q_{n}}}}$

Ihre aktuelle Methode hält SES für gültig, wenn κ = 0,070. Sobald die SES als gültig erachtet werden, wird eine zweite Analyse gestartet, in der die nachfolgenden seismischen (und nicht elektrischen) Ereignisse notiert werden, und die Region wird als Venn-Diagramm mit mindestens zwei seismischen Ereignissen pro überlappendem Rechteck aufgeteilt. Wenn die Verteilung von κ für die rechteckigen Gebiete ihr Maximum bei κ = 0,070 hat, steht ein kritisches seismisches Ereignis bevor, dh es wird in wenigen Tagen bis etwa einer Woche auftreten, und es wird ein Bericht erstellt.

Ergebnisse

Das VAN-Team behauptet, dass von sieben Hauptbeben mit einer Stärke von Mw>=6,0 von 2001 bis 2010 im Bereich der Breitengrade N 36° bis N 41° und der Länge E 19° bis E 27° alle bis auf einen mit relevantem SES klassifiziert werden konnten Aktivität im Voraus durch natürliche Zeitanalyse identifiziert und gemeldet. Darüber hinaus behaupten sie, dass die Auftretenszeit von vier dieser Hauptbeben mit einer Stärke von Mw>=6,4 auf "einen engen Bereich von einigen Tagen bis etwa einer Woche" festgelegt wurde. Diese Berichte werden in in arXiv untergebrachte Papiere eingefügt, und neue Berichte werden dort erstellt und hochgeladen. Zum Beispiel wurde ein Bericht vor dem stärksten Erdbeben in Griechenland im Zeitraum 1983-2011, das sich am 14. Februar 2008 ereignete, mit einer Magnitude (Mw) 6,9, fast zwei Wochen zuvor, am 1. Februar 2008, in arXiv veröffentlicht der aktualisierten VAN-Methode wurde in einem 2011 von Springer veröffentlichten Buch mit dem Titel "Natural Time Analysis: The New View of Time" gesammelt.

Die Naturzeitanalyse behauptet auch, dass die physikalische Verbindung von SES-Aktivitäten mit Erdbeben wie folgt ist: Aus der Sicht, dass das Erdbebenereignis ein Phasenwechsel ist (kritisches Phänomen), wobei die neue Phase das Hauptschockereignis ist, wird der oben erwähnte Varianzterm κ ist der entsprechende Ordnungsparameter. Der berechnete κ-Wert für ein Fenster mit einer Anzahl seismischer Ereignisse, die mit der durchschnittlichen Anzahl von Erdbeben innerhalb weniger Monate vergleichbar ist, schwankt, wenn das Fenster durch einen seismischen Katalog gleitet. Das VAN-Team behauptet, dass diese κ Fluktuationen einige Monate vor dem Auftreten eines Hauptschocks ein Minimum aufweisen und außerdem dieses Minimum gleichzeitig mit der Initiierung der entsprechenden SES-Aktivität auftritt, und dass dies das erste Mal in der Literatur ist, dass ein solches gleichzeitiges Auftreten von zwei Vorläuferphänomene in unabhängigen Datensätzen verschiedener geophysikalischer Observablen (elektrische Messungen, Seismizität) wurden beobachtet. Darüber hinaus behauptet das VAN-Team, dass ihre natürliche Zeitanalyse des seismischen Katalogs von Japan im Zeitraum vom 1. Januar 1984 bis zum Auftreten des Tohoku-Erdbebens der Stärke 9,0 am 11. vor allen großen Erdbeben mit einer Magnitude von 7,6 oder größer. Das tiefste dieser Minima soll am 5. Januar 2011 aufgetreten sein, also fast zwei Monate vor dem Erdbeben in Tohoku. Durch die Aufteilung der japanischen Region in kleine Gebiete stellt das VAN-Team schließlich fest, dass einige kleine Gebiete fast gleichzeitig mit dem großen Gebiet, das ganz Japan bedeckt, ein Minimum der κ-Schwankungen aufweisen, und solche kleinen Gebiete, die sich innerhalb weniger hundert Kilometer vom eigentlichen Epizentrum von das drohende schwere Erdbeben.

Kritik an VAN

Historisch war die Nützlichkeit der VAN-Methode zur Vorhersage von Erdbeben umstritten. Sowohl positive als auch negative Kritik an einer älteren Konzeption der VAN-Methode ist in dem 1996 erschienenen Buch "A Critical Review of VAN", herausgegeben von Sir James Lighthill, zusammengefasst. Eine kritische Überprüfung der statistischen Methodik wurde 1997 von YY Kagan von der UCLA veröffentlicht. Beachten Sie, dass diese Kritiken vor den von der VAN-Gruppe im Jahr 2001 eingeführten Zeitreihenanalysemethoden stammen. Die Hauptkritikpunkte waren:

Vorausschauender Erfolg

Kritiker sagen, dass die VAN-Methode durch das Fehlen statistischer Tests der Gültigkeit der Hypothese behindert wird, weil die Forscher die Parameter ständig ändern (die Technik des Bewegens der Torpfosten ).

VAN hat behauptet, an einer Aufnahmestation in Athen eine perfekte Aufzeichnung einer Eins-zu-Eins-Korrelation zwischen SESs und Erdbeben der Stärke ≥ 2,9 beobachtet zu haben, das 7 Stunden später in ganz Griechenland auftrat. Max Wyss sagte jedoch, dass die für die Korrelation verwendete Erdbebenliste falsch sei. Obwohl VAN in ihrem Artikel angab, dass die Liste der Erdbeben die des Bulletins des National Observatory of Athens (NOA) sei, stellte Wyss fest, dass 37 % der tatsächlich im Bulletin aufgeführten Erdbeben, einschließlich des größten, nicht in der Liste waren von VAN zur Geltendmachung ihrer Forderung verwendet. Darüber hinaus waren 40 % des Erdbebens, von dem VAN behauptete, dass es aufgetreten sei, nicht im NOA-Bulletin enthalten. Untersucht man die Wahrscheinlichkeit einer Zufallskorrelation einer anderen Gruppe von 22 Behauptungen über erfolgreiche Vorhersagen durch VAN von M > 4,0 vom 1. Januar 1987 bis 30. November 1989, wurde festgestellt, dass 74% falsch waren, 9% zufällig korrelierten und für 14% der Zusammenhang war ungewiss. Kein einzelnes Ereignis korrelierte mit einer Wahrscheinlichkeit von mehr als 85 %, wohingegen das statistisch erforderliche Niveau für die Annahme eines Hypothesentests als positiv normalerweise 95 % betragen würde.

Als Reaktion auf Wyss' Analyse der NOA-Ergebnisse sagte VAN, dass die Kritik auf Missverständnissen beruhte. VAN sagte, dass die von Wyss vorgeschlagenen Berechnungen zu einem Paradox führen würden, dh zu Wahrscheinlichkeitswerten größer als Eins, wenn sie auf eine ideale Erdbebenvorhersagemethode angewendet würden. Andere unabhängige Bewertungen sagten, dass VAN statistisch signifikante Ergebnisse erzielte.

Mainstream-Seismologen bleiben von den Widerlegungen von VAN nicht überzeugt. Im Jahr 2011 kam die ICEF zu dem Schluss, dass die von VAN behauptete optimistische Vorhersagefähigkeit nicht validiert werden konnte. Die meisten Seismologen halten VAN für "durchschlagend entlarvt".

Uyeda und andere im Jahr 2011 unterstützten jedoch den Einsatz der Technik. Im Jahr 2018 wurde die statistische Signifikanz der Methode von der VAN-Gruppe mit modernen Techniken wie der Ereigniskoinzidenzanalyse (ECA) und der Receiver Operating Characteristic (ROC) überprüft, die sie interpretierten, um zu zeigen, dass SES weit über den Zufall hinausgehende Vorläuferinformationen aufweisen.

Vorgeschlagener SES-Ausbreitungsmechanismus

Eine Analyse der Ausbreitungseigenschaften von SES in der Erdkruste zeigte, dass es unmöglich ist, dass Signale mit der von VAN gemeldeten Amplitude durch kleine Erdbeben erzeugt und über die mehrere hundert Kilometer zwischen dem Epizentrum und der Empfangsstation übertragen wurden. Wenn der Mechanismus auf Piezoelektrizität oder elektrischer Aufladung von Kristalldeformationen basiert, wobei das Signal entlang von Verwerfungen wandert, dann erzeugte keines der Erdbeben, von denen VAN behauptete, dass SES vorausging, selbst ein SES. VAN antwortete, dass eine solche Analyse der SES-Ausbreitungseigenschaften auf einem vereinfachten Modell der horizontal geschichteten Erde basiert und dass dies stark von der realen Situation abweicht, da die Erdkruste Inhomogenitäten enthält. Berücksichtigt man die letzteren, beispielsweise indem man bedenkt, dass die Fehler elektrisch deutlich leitfähiger sind als das umgebende Medium, geht VAN davon aus, dass elektrische Signale, die in Entfernungen in der Größenordnung von hundert Kilometern zwischen dem Epizentrum und der Empfangsstation übertragen werden, vergleichbare Amplituden haben zu denen, die von VAN gemeldet wurden.

Probleme mit der elektromagnetischen Verträglichkeit

Die Veröffentlichungen von VAN werden außerdem dadurch geschwächt, dass das Problem der Beseitigung der vielen und starken Änderungsquellen des von ihnen gemessenen magnetoelektrischen Felds, wie Tellurströme durch das Wetter und elektromagnetische Störungen (EMI) durch künstliche Signale, nicht angegangen wird. Ein kritischer Artikel (Pham et al. 1998) korreliert eindeutig einen von der VAN-Gruppe verwendeten SES mit digitalen Funkübertragungen von einer Militärbasis aus. In einem anschließenden Papier sagte VAN, dass solches Rauschen, das von digitalen Funksendern der Militärdatenbank kommt, klar von echten SES unterschieden wurde, indem die von VAN entwickelten Kriterien befolgt wurden. Weitere Arbeiten von Pham et al. in Griechenland im Jahr 2002 haben SES-ähnliche "anomale transiente elektrische Signale" bis zu bestimmten menschlichen Quellen zurückverfolgt und festgestellt, dass solche Signale durch die von VAN verwendeten Kriterien zur Identifizierung von SES nicht ausgeschlossen werden.

Im Jahr 2003 zeigten moderne Methoden der statistischen Physik, dh Detrended Fluktuation Analysis (DFA), multifraktale DFA und Wavelet-Transformation , dass sich SES klar von denen aus menschlichen Quellen unterscheidet, da die ersteren Signale sehr starke weitreichende Korrelationen aufweisen, während die letzteren Signale nicht. Eine im Jahr 2020 veröffentlichte Arbeit untersuchte die statistische Signifikanz der Minima der Fluktuationen des Ordnungsparameters κ1 der Seismizität durch Ereigniskoinzidenzanalyse als mögliche Vorstufe starker Erdbeben sowohl auf regionaler als auch auf globaler Ebene. Die Ergebnisse zeigen, dass diese Minima tatsächlich statistisch signifikante Erdbebenvorläufer sind. Insbesondere in den regionalen Studien wurde festgestellt, dass die Zeitverzögerung vollständig mit dem Befund vereinbar ist, dass diese Mimima gleichzeitig mit der Initiierung von SES-Aktivitäten auftreten, sodass die Unterscheidung der letzteren Vorläufersignale von denen, die durch menschliche Quellen erzeugt werden, offensichtlich ist.

Öffentliche Ordnung

Schließlich besteht eine Anforderung für jede Erdbebenvorhersagemethode darin, dass sie ein bevorstehendes Erdbeben innerhalb eines angemessenen Zeitrahmens, Epizentrums und einer angemessenen Stärke vorhersagen muss, damit eine Vorhersage nützlich ist. Wenn die Vorhersage zu vage ist, kann keine durchführbare Entscheidung (wie die Evakuierung der Bevölkerung eines bestimmten Gebiets für einen bestimmten Zeitraum) getroffen werden. In der Praxis hat die VAN-Gruppe in den 1980er Jahren eine Reihe von Telegrammen herausgegeben. Im gleichen Zeitrahmen verfehlte die Technik auch größere Erdbeben, in dem Sinne, dass „bei Erdbeben mit Mb≥5.0 das Verhältnis der vorhergesagten zur Gesamtzahl der Erdbeben 6/12 (50%) beträgt und die Erfolgsrate der Vorhersage ist ebenfalls 6/12 (50 %) mit einem Wahrscheinlichkeitsgewinn von Faktor 4. Bei einem Konfidenzniveau von 99,8 % ist die Möglichkeit dieser Erfolgsrate durch ein zufälliges Modell des Erdbebenereignisses unter Berücksichtigung des regionalen Faktors zu erklären, das enthält eine hohe Seismizität im Vorhersagebereich, kann zurückgewiesen werden". Diese Studie kommt zu dem Schluss, dass "die statistische Untersuchung der SES-Vorhersagen hohe Erfolgsraten der Vorhersage und vorhergesagte Ereignisse mit hohem Wahrscheinlichkeitsgewinn ergab. Dies deutet auf einen physikalischen Zusammenhang zwischen SES und nachfolgenden Erdbeben hin, zumindest für ein Ereignis mit einer Magnitude von Ms≥5" . Vorhersagen der frühen VAN-Methode führten zu öffentlicher Kritik und den Kosten, die mit Fehlalarmen verbunden sind, die Böswilligkeit erzeugten. Im Jahr 2016 ehrte die Vereinigung griechischer Physiker P. Varotsos für seine Arbeit an VAN mit einem Preis des griechischen Präsidenten .

Siehe auch

• Erdbebenvorhersage
• Seismologie
• Seismo-Elektromagnetik

Anmerkungen

Verweise

Externe Links

• Naturdebatten. Ist die zuverlässige Vorhersage einzelner Erdbeben ein realistisches wissenschaftliches Ziel?
• VAN-Erdbebenvorhersagemethode .
• Bibliographie von P. Varotsos (die Hauptquelle von "VAN" -Papieren ).