Het National Research Institute for Earth Science and Disaster Resilience (NIED), het Earthquake Research Institute (ERI) van de Universiteit van Tokio en Yokogawa Electric Corporation (Yokogawa) hebben een evaluatie uitgevoerd van een innovatieve waterdrukmeter voor gebruik bij de vroegtijdige detectie van tsunami.
De waterdrukmeter die bij deze evaluatie werd gebruikt, was uitgerust met een nieuw type silicium resonante druksensor(*1) en werd geïnstalleerd op de zeebodem bij het Boso schiereiland op een waterdiepte van 3.436 m.
Bij deze evaluatie identificeerde de meter met succes drukschommelingen van zeven hectopascal, wat overeenkomt met een verandering van het zeeniveau van 7 cm. Hoewel het moeilijk is om gegevens te verkrijgen over tsunami's, die niet vaak voorkomen, maakte de evaluatie het mogelijk om veranderingen in het zeeniveau te detecteren die vergelijkbaar zijn met die van een tsunami, en de waterdrukmeter zal naar verwachting worden gebruikt in het geval van een daadwerkelijke tsunami. De waterdrukmeter zal worden gebruikt voor het Nankai Trough Seafloor Observation Network for Earthquakes and Tsunamis (N-net) om waterdrukschommelingen op de zeebodem te observeren die worden veroorzaakt door tsunami's die door aardbevingen worden veroorzaakt, waardoor tsunami's op betrouwbare wijze kunnen worden gedetecteerd en schade kan worden beperkt.
Details over N-net, de nieuw ontwikkelde waterdrukmeter en de evaluatie ervan werden gepresenteerd op de Japan Geoscience Union Meeting 2023 die werd gehouden van 21 tot 26 mei 2023.
Het NIED, het ERI en Yokogawa hebben de effectiviteit geëvalueerd van een waterdrukmeter uitgerust met een MEMS(*2) silicium resonantiedruksensor voor gebruik als observatieapparaat voor de zeebodemdruk waarmee nauwkeurige gegevens kunnen worden verzameld tijdens de aanzienlijke trillingen die optreden tijdens een aardbeving.
Met het oog op de aanzienlijke bodembewegingen die optreden tijdens een aardbeving, probeerde deze test vast te stellen of het verkrijgen van meetgegevens beïnvloed zou worden door trillingen of standswijzigingen. Er werd bevestigd dat het effect van standsveranderingen op de waterdrukmeter kleiner is dan bij conventionele waterdrukmeters. Bovendien werd in een precisietest waarbij 70 megapascal (MPa) -equivalent aan een waterdiepte van 7.000m- herhaaldelijk werd toegepast, een herhaalbaarheid(*3) van 0,005% van 70MPa of minder bevestigd als een uitstekende eigenschap. Deze waterdrukmeter maakt gebruik van MEMS-technologie en biedt dus het voordeel dat elk product dezelfde kwaliteit heeft.
Om de prestaties van de waterdrukmeter in een werkelijke zeebodemomgeving te evalueren, werden er in totaal 203 dagen lang zeebodemobservaties uitgevoerd op een diepte van 3.436 m in het gebied voor het schiereiland Boso in de prefectuur Chiba, Japan.
Het verkrijgen van waarnemingsgegevens over tsunami's is meestal moeilijk omdat tsunami's een zeldzaam verschijnsel zijn. Tijdens ons evaluatiewerk namen we echter een fluctuatie van 7 cm in het zeeniveau waar als gevolg van de uitbarsting van de Hunga-Ha'apaivulkaan in Tonga op 15 januari 2022. Verdere gegevensanalyse bevestigde ook dat de waterdrukmeter drukveranderingen kon waarnemen die gelijk waren aan een verandering van het zeeniveau van minder dan 1 cm. De bevestigde gevoeligheid geeft aan dat de waterdrukmeter voldoende prestaties levert om een echte tsunami waar te nemen. De waterdrukmeter is een in Japan gemaakt product met een hoge precisie voor diepzeetoepassingen en heeft dezelfde gevoeligheid als de meest geavanceerde instrumenten die waar ook ter wereld worden gemaakt.
Het observatienetwerk voor aardbevingen en tsunami's maakt deel uit van de infrastructuur voor risicobeperking bij rampen (DRR) die bijdraagt aan de verbetering van DRR-informatie en de ontwikkeling van DRR-onderzoek naar aardbevingen en tsunami's. Het NIED beheert de Monitoring of Waves on Land and Seafloor (MOWLAS) die alle land- en zeegebieden in Japan bestrijkt. Vanaf 2019 is het NIED bezig met de ontwikkeling van N-net, een waarnemingssysteem voor aardbevingen en tsunami's op de zeebodem via een kabel. N-net zal worden geïnstalleerd in het seismische brongebied in de Nankai trog waar aardbevingen worden verwacht en waar geen observatienetwerk is opgezet (van de voorkust van de prefectuur Kochi tot Hyuga-nada).
N-net is een netwerksysteem dat aardbevingen en tsunami's direct detecteert en de informatie betrouwbaar doorstuurt naar het land, zodat observatie in realtime mogelijk is. Deze nieuwe waterdrukmeter met siliciumresonantie, die een belangrijke rol speelt in dit systeem, is goedgekeurd. Het NIED, het ERI en Yokogawa hebben talrijke tests uitgevoerd om de betrouwbaarheid van deze waterdrukmeter te garanderen, met als doel om in het geval van een mega-aardbeving in de Nankai trog zoveel mogelijk bij te dragen aan het beperken van de schade.
NIED, ERI en Yokogawa zullen hun inspanningen voortzetten om de wetenschap en technologie op het gebied van DRR te verbeteren om een rampbestendige samenleving te realiseren.
(*1) Yokogawa's silicium resonantiedruksensoren maken gebruik van een detectiemethode gebaseerd op de drukafhankelijke verandering in resonantiefrequentie van enkel kristal silicium resonatoren, en worden gekenmerkt door laag energieverbruik, compacte afmetingen, hoge gevoeligheid, hoge stabiliteit en hoge drukbestendigheid. De resonator is verzegeld in een schone vacuümholte met behulp van siliciumhalfgeleiderproductietechnologie, wat voorkomt dat vreemde deeltjes zich aan de resonator hechten en de prestaties ervan aantasten. Bovendien is er geen prestatieverandering door gasdesorptie, wat wel optreedt bij sensoren die gebruikmaken van kwarts kristal resonatoren, en kan een stabiele meting worden bereikt. Yokogawa installeert sinds 1991 druksensoren met deze detectiemethode in zijn industriële drukverschil- en druktransmitters.
(*2) Micro-elektromechanische systeemtechnologie
(*3) Een kenmerk dat de nauwkeurigheid van de meting aangeeft onder een reeks omstandigheden, waaronder herhaalde metingen met dezelfde meetprocedure, operator, meetsysteem, werkomstandigheden en locatie, alsmede met hetzelfde of een vergelijkbaar onderwerp en gedurende een korte periode.
