Monitorando a Terra inquieta em busca do próximo grande terremoto.

O Wave Glider do USGS em missão, equipado com instrumentação GNSS-A da Sonardyne. Crédito: USGS

Quando o terremoto de Chignik, de magnitude 8,2, atingiu a costa do Alasca em 2021, foi um grande sinal de alerta.

O maior terremoto nos EUA desde 1965 e um dos maiores globalmente nos últimos anos; foi um lembrete dos riscos geológicos que espreitam, fora da vista, ao largo de nossas costas.

Eventos marítimos como esses podem desencadear um tsunami, colocando em risco grandes cidades e regiões costeiras.

Mas, até recentemente, a atividade geológica que leva a um terremoto como o de Chignik era um ponto cego significativo para os cientistas, permanecendo oculta e inacessível sob as ondas.

Agora, graças à colaboração e ao desenvolvimento contínuos entre a empresa de tecnologia subaquática Sonardyne, o Instituto Scripps de Oceanografia e o Serviço Geológico dos Estados Unidos (USGS), a capacidade de monitorar remotamente nosso planeta inquieto não é apenas possível, mas também está se tornando prática padrão.

Utilizando uma técnica chamada GNSS-A, uma área costeira cada vez mais vulnerável a terremotos e tsunamis, incluindo a costa do Pacífico dos EUA, está sendo monitorada.

O que é GNSS-A?

O GNSS-A funciona combinando o posicionamento por satélite com a acústica subaquática para rastrear o movimento do fundo do mar com precisão em nível de centímetro. Uma embarcação de superfície não tripulada (USV) com a carga útil GNSS-A da Sonardyne patrulha acima de uma matriz de transponders Sonardyne Fetch no fundo do mar.

A combinação da sua posição conhecida na superfície com pulsos acústicos enviados a cada transponder do Fetch permite calcular a posição precisa de cada transponder – e, portanto, a posição do fundo do mar onde se encontra.

Ao repetir essas medições ao longo do tempo, os cientistas podem rastrear o movimento das placas tectônicas através das falhas para melhor compreender e estimar o risco de terremotos e tsunamis.

Uma das organizações que utiliza essa técnica para monitorar zonas de subducção, onde uma placa tectônica desliza sob outra, é o USGS (Serviço Geológico dos Estados Unidos).

Eles começaram a explorar seu uso em 2017, trabalhando em colaboração com a Universidade do Havaí e o Scripps Institute, e usando um Wave Glider e sensores no fundo do mar, a fim de medir como o atrito entre duas placas tectônicas restringe o deslizamento e causa um acúmulo de tensão - essencialmente medindo "o quão presas as placas estão".

Desde então, eles continuaram a contribuir para o desenvolvimento do GNSS-A usando módulos GNSS-A da Sonardyne e transponders Fetch.

Preparando o Wave Glider do USGS para lançamento a bordo do navio de pesquisa R/V North Wind da Universidade Politécnica Estadual da Califórnia em Humboldt. Crédito: USGS

Expansão do monitoramento GNSS-A ao longo da Zona de Subducção de Cascadia

Um dos principais focos do USGS é a Zona de Subducção de Cascadia, uma falha de 1.000 km de extensão ao largo da costa do Pacífico Noroeste, que vai da Ilha de Vancouver, no Canadá, até o norte da Califórnia.

Entre 2021 e 2025, o USGS instalou quatro estações de monitoramento no fundo do mar, ao largo da costa do Pacífico dos EUA, no extremo sul dessa zona.

Eles fazem parte de uma rede mais ampla ao longo da Zona de Subducção de Cascadia, onde a subducção envolve três placas tectônicas, a Explorer, a Juan de Fuca e a Gorda, que deslizam sob a Placa Norte-Americana, criando o potencial para terremotos de magnitude 9 ou superior e grandes tsunamis.

Os sítios GNSS-A do USGS, cada um com três transponders Fetch, estão localizados na porção mais meridional da placa de Gorda, onde a incerteza do movimento da placa de Gorda em relação ao movimento da placa norte-americana tem implicações na magnitude e recorrência de terremotos na região.

“Antes de termos essa capacidade, só conseguíamos usar redes de GPS em terra para estimar, com precisão submilimétrica, os movimentos lentos do fundo do mar a mais de 80 quilômetros da costa”, afirma Todd Ericksen, engenheiro geodésico do Centro de Ciências de Terremotos do USGS, na Califórnia.

“Mas o fundo do mar era um ponto cego; uma peça fundamental que faltava no quebra-cabeça tectônico global, o que significava que a verdadeira dimensão do perigo sob o oceano era em grande parte desconhecida. Nossos instrumentos paravam na linha costeira.”

“Em regiões como a zona de subducção de Cascadia, onde as placas oceânicas estão sendo subduzidas sob a placa norte-americana, os sítios geodésicos no fundo do mar estão preenchendo uma lacuna importante, ajudando-nos a compreender melhor os riscos de terremotos e tsunamis. Se as placas se 'travarem' nessa zona, acumulando tensão, toda essa costa, e cidades como Vancouver, Victoria e Seattle, enfrentarão um risco significativo de tsunami.”

O Wave Glider equipado com GNSS-A está instalado a meia-nau do navio de pesquisa R/V North Wind em Eureka, Califórnia, e cercado por três marcos geodésicos submarinos que serão implantados ao longo da Zona de Subducção de Cascadia. Crédito: USGS

Mapa topográfico e batimétrico da zona de subducção de Cascadia, mostrando as velocidades geodésicas em terra e em estações geodésicas submarinas do USGS e da NSF. Crédito: USGS

Informações essenciais da zona de subducção das Aleutas

Uma das fontes tectônicas de grandes terremotos que o USGS vem monitorando é a Zona de Subducção das Aleutas. Foi lá que o terremoto de Chignik ocorreu – e o USGS estava preparado para uma missão de resposta pós-terremoto.

Apenas alguns anos antes, três estações de monitoramento GNSS-A haviam sido instaladas no fundo do mar, ao largo do Alasca, na zona de subducção das Aleutas, por uma equipe de cientistas financiada pela Fundação Nacional de Ciência dos EUA (NSF).

Diversos levantamentos com o Wave Glider foram realizados pelo USGS e pelo Scripps antes do terremoto de Chignik, de magnitude 8,2, monitorando a posição dos locais em uma profundidade de aproximadamente 1.200 m.

Poucas semanas após o terremoto, o USGS (Serviço Geológico dos Estados Unidos) enviou novamente seu Wave Glider para medir os movimentos ocorridos durante e logo após o tremor.

Apesar das condições climáticas adversas, a missão coletou dados GNSS e acústicos de alta fidelidade, com resultados surpreendentes.

“O tsunami foi modesto, mas o evento sísmico foi o maior nos EUA em quase seis décadas”, diz Ericksen, “então esperávamos um grande deslocamento. Mas foi incrível saber exatamente quanto – e foram 1,4 m.” Essa foi uma informação crucial sobre o movimento co e pós-sísmico, ajudando a entender a dinâmica da zona de subducção.”

A grande questão era: o terremoto de Chignik aumentou o nível de tensão e o potencial de tsunami na porção superior da falha ou não?

“As medições mostraram que a falha se deslocou de 2 a 3 metros horizontalmente em uma parte rasa da falha, a menos de 20 km abaixo do leito marinho, ajudando-nos a entender como a tensão se acumula ao longo da falha e é liberada em um terremoto”, afirma.

“Esses resultados sugeriram que o deslizamento cumulativo aliviou a tensão na porção rasa da falha e, portanto, o terremoto de Chignik provavelmente não aumentou o potencial de tsunami da falha rasa.

“Isso também demonstrou a eficácia da técnica GNSS-A e a utilidade das medições GNSS-A de resposta rápida para melhor avaliar os riscos de tsunamis e terremotos na região.”

As origens do GNSS-A

A capacidade de medir o movimento das placas tectônicas no fundo do mar não é exatamente uma novidade. Ela se baseia na técnica originalmente chamada GNSS-A, desenvolvida inicialmente pelo Instituto Scripps, mais especificamente por David Chadwell e Fred Spiess.

“Combinar o posicionamento GNSS com medições acústicas para rastrear o movimento do fundo do mar foi uma ideia genial – e funcionou”, afirma Michelle Barnett, Gerente de Desenvolvimento de Negócios em Ciências Oceânicas da Sonardyne.

“Mas o custo de usar navios tripulados para realizar o posicionamento tornou a operação proibitiva. Além disso, era tecnicamente desafiadora.”

“Então, trabalhando com a Scripps, no início

Na década de 2010, desenvolvemos uma combinação de nossos sensores de longa duração Fetch e uma carga útil GNSS-A pronta para uso para Wave Gliders, que pode realizar o trabalho de levantamento a um custo muito menor do que usar um navio tripulado.”

O Wave Glider do USGS foi recuperado a bordo do navio de pesquisa R/V North Wind após um levantamento bem-sucedido. Crédito: USGS

Vale a pena esperar, mesmo quando se espera por condições climáticas favoráveis.

A técnica, no entanto, não está isenta de desafios. Depois de coletar as posições dos transponders da zona de subducção das Aleutas, Ericksen e sua equipe estavam naturalmente ansiosos para ver os dados.

Devido à quantidade significativa de dados envolvida – estamos falando de 25 a 30 GB por local (compreendendo três coletas de dados) – apenas subamostras são enviadas de volta à costa a partir do USV, principalmente para controle de qualidade.

Assim, eles precisam esperar até que o USV retorne – ou seja trazido de volta – para a costa. Os baixos níveis de luz solar no inverno do Alasca (quando o levantamento de Chignik foi realizado) significavam disponibilidade limitada de energia para o USV.

A combinação de condições climáticas adversas e a coordenação da recuperação da aeronave revelaram-se desafiadoras, resultando em um processo que levou quatro meses para recuperar o Wave Glider e descarregar os dados.

Ainda assim, a espera valeu a pena e os resultados estão proporcionando informações mais valiosas do que jamais tivemos antes.

Leia mais sobre os dados de Chignik em ScienceAdvances Vol.9, No.17, Deslizamento pós-terremoto rápido e raso da megatensão do terremoto de Chignik, Alasca, de magnitude 8,2 em 2021, revelado após geodesia do fundo do mar .