Neuronas artificiales podrían detectar sismos

Volcán Galeras, uno de los más activos del país. (Foto: U.N.)

Un nuevo software para identificar y clasificar señales emitidas por los volcanes fue creado en la Universidad Nacional (UN) de Colombia. Su particularidad es que utiliza redes neuronales artificiales. Se trata de un trabajo desarrollado por Óscar Ernesto Cadena, magíster en Ciencias (línea de Geofísica), que consiste en aplicar una metodología que combina análisis de predicción lineal (LPC, por sus siglas en inglés) y redes neuronales artificiales (RNA) con el objetivo de detectar y clasificar tres tipos de sismos volcánicos: volcano-tectónicos (VT) tipo A, largo periodo (LP) y tremor (TRE).

El trabajo consistió en diseñar una herramienta computacional orientada a identificar y clasificar automáticamente estas señales sísmicas, para proporcionar información en tiempo real.

Entre sus ventajas está la posibilidad de hallar sismos con arribos emergentes, de corta duración o de bajo nivel energético. La aplicación del método muestra cerca del 100% de acierto para distinguir entre ruido y señal sísmica (fase de detección); del 92% para clasificar entre sismos de largo periodo y volcano-tectónicos; y del 100% para identificar sismos de tipo tremor.

Para alcanzar este tipo de exactitud se utilizaron RNA, que nacieron como producto de un intento por emular ciertas características del cerebro humano desde el punto de vista sensorial.


El magíster precisa que las neuronas, procesadores elementales y relativamente lentos, se agrupan formando capas que, a su vez, crean redes que funcionan como un todo. Esto es lo que se conoce como cerebro. El estilo de procesamiento que utiliza es en paralelo, esto es, varias neuronas pueden activarse al mismo tiempo sin que el sistema colapse por ello.

El conocimiento está ampliamente distribuido en la red, lo que evita grandes pérdidas de información en caso de daños parciales. El cerebro humano tiene la capacidad de adaptarse a las condiciones cambiantes del medio exterior y de aprender nuevas cosas y aplicarlas sobre ese nuevo entorno.

Además, es muy tolerante a los fallos, pues, si una neurona deja de funcionar, no es motivo para que el sistema completo interrumpa su funcionamiento. El mecanismo de control de los procesos es autoorganizado, lo que implica que existen grupos de neuronas especializadas para cada tipo específicos de estos.

La metodología desarrollada por Óscar Ernesto Cadena, con la dirección de la profesora María Cristina Dimaté Castellanos, del Departamento de Geociencias, recrea esas mismas características, pero con algo que han denominado neuronas artificiales.

Explica que una neurona artificial es una unidad elemental de proceso que ejecuta cálculos a partir de un vector de entrada, procedente del exterior, o de otras neuronas. Esta es la base estructural de las RNA.

A partir de esa lógica, la estrategia establecida por Cadena contempla cinco pasos.

En el primero, se plantea la manera de abordar la identificación, los tipos de sismos por clasificar y las señales. En el segundo, se estudia el orden de la predicción lineal para representar adecuadamente las señales.

En el tercero, se diseña y desarrolla un programa que descienda a un nivel operativo estas tareas y se implementa una base de datos para organizar la información emitida por el programa. El cuarto paso aborda el estudio de las topologías de las RNA para las fases de detección y clasificación mediante su entrenamiento con diferentes tipologías.

Finalmente, se procede a desarrollar en línea el proceso de clasificación. Como ejemplo de prueba de la metodología y de la herramienta computacional, se efectuó un ejercicio de clasificación de eventos en una de las estaciones de la red sismológica del volcán Galeras. Sin embargo, su aplicación se puede extender a todas sus estaciones.

Uno de los datos interesantes es que en la fase de detección o clasificación sismo-ruido, el mecanismo utilizado funciona bastante bien, pues logra cerca del 100% de acierto en las pruebas efectuadas, sin importar cuales fueran los parámetros utilizados.

Se observó que en varias ocasiones la localización de un sismo comenzaba segundos antes de que se observara claramente el arribo de sus primeras ondas.

Si bien esto no sugiere que el sistema pueda predecirlos, el método sí encuentra componentes espectrales correspondientes a unidades de sismo en lugares donde no es posible reconocerlos a simple vista. El resultado forma parte de la capacidad de generalización que tienen las RNA. Esta clase de innovaciones son muy valiosas para un país como Colombia, que presenta una fuerte actividad volcánica. 

Fuente: UN/DICYT

GOCE: el primer sismómetro en órbita

Los satélites registran los cambios provocados por los terremotos en la superficie de la Tierra, pero nunca antes habían sondeado directamente las ondas de un temblor en el espacio – hasta ahora. GOCE, el satélite de gravedad híper-sensible de la ESA, acaba de añadir otro logro a su lista de éxitos pioneros.

Los terremotos no solo crean ondas sísmicas que viajan a través del interior de la tierra, los grandes seísmos también hacen que la superficie del planeta vibre como la piel de un tambor. Esto genera ondas de sonido que viajan hacia arriba a través de la atmósfera.

El tamaño de estas ondas cambia, de centímetros en la superficie, a kilómetros en la fina atmósfera a altitudes de 200–300 km.

Solo las ondas de sonido de baja frecuencia – infrasonidos – alcanzan estas alturas. Causan movimientos verticales que expanden y contraen la atmósfera acelerando las partículas del aire.

El lunes, Japón recordará a los 20.000 fallecidos en el terremoto y el tsunami que asolaron la costa noreste hace dos años. Nuevos estudios han revelado que este devastador seísmo también se sintió en el espacio por el satélite GOCE de la ESA.
Lanzado en el año 2009, GOCE ha estado cartografiando la gravedad de la Tierra con una precisión sin precedentes, orbitando a la altitud más baja a la que ha orbitado ningún otro satélite de observación. Pero a menos de 270 km de altura, tuvo que enfrentarse a una fuerte resistencia aerodinámica al atravesar un remanente de la atmósfera.

El satélite, inteligentemente diseñado, lleva un innovador instrumento que compensa instantáneamente cualquier alteración generando impulsos calculados con mucha precisión. Estas medidas son proporcionadas por acelerómetros muy precisos.

Mientras que las medidas aseguran que GOCE permanece ultraestable en su órbita baja con el fin de recoger medidas ultraprecisas de la gravedad de la Tierra, la densidad atmosférica y los vientos verticales a lo largo de su camino pueden inferirse de los datos del acelerómetro y de los impulsos generados.

Científicos del Instituto de Investigación en Astrofísica y Planetología (Francia), de la Agencia Espacial Francesa (CNES), del Instituto de Ciencias Físicas de la Tierra (París) y de la Universidad Delft de Tecnología (Países Bajos), con el respaldo del área de apoyo a la ciencia de observación de la Tierra (Earth Observation Support to Science Element) de la ESA, han explotado al máximo los datos de GOCE estudiando las medidas realizadas hasta ahora.

Descubrieron que GOCE detectó ondas de sonido procedentes del devastador terremoto que afectó a Japón en el 11 de marzo 2011.

Cuando GOCE pasó a través de estas ondas, sus acelerómetros registraron el desplazamiento vertical de la atmósfera circundante de un modo similar al que los sismómetros registran los terremotos en la superficie de la Tierra. También se observaron variaciones en forma de ondas en la densidad del aire.

Rafael García, del Instituto de Investigación en Astrofísica y Planetología, afirmó que “Los sismólogos están especialmente emocionados con estos descubrimientos ya que eran, virtualmente, los únicos científicos de la Tierra sin un instrumento espacial que pudiera compararse directamente con los que se utilizan en tierra. Con esta nueva herramienta pueden empezar a mirar hacia el espacio para comprender qué ocurre bajo sus pies”.


Fuentes: ESA.

Descubrimiento de un tercer cinturón de radiación alrededor de la Tierra

Los cinturones de Van Allen. (Imagen: NASA/Van Allen Probes/Goddard Space Flight Center)

Dos extensos cinturones de radiación que rodean la Tierra, conocidos como los Cinturones de Van Allen, fueron descubiertos en 1958. Esos cinturones, que toman su nombre del de su descubridor, James Van Allen, ocupan franjas del espacio cercano. Para la sociedad moderna, tan dependiente de satélites en órbita a la Tierra y de tecnologías asociadas a ellos, es muy importante conocer bien esos cinturones, su extensión exacta, y sus niveles de energía, a fin de evitar problemas.

Los Cinturones de Van Allen, portadores de partículas cargadas atrapadas y de alta energía, son afectados por tormentas solares y por otros fenómenos cósmicos, y pueden dilatarse de manera notable. Cuando esto sucede, son capaces de poner en peligro a satélites de comunicación y de otros tipos, e incluso constituir un riesgo para los astronautas que se hallen en una zona orbital afectada.

Desde su hallazgo, se ha venido considerando que los cinturones de radiación de Van Allen son esencialmente dos, ocupando zonas orbitales distintas, una a menor altitud sobre la superficie terrestre que la otra.

El análisis detallado de observaciones hechas por las dos naves Van Allen, de la NASA, dedicadas a estudiar los dos cinturones conocidos de Van Allen, confirma la existencia, temporal, de un tercer cinturón, exterior y aislado. Las naves gemelas, en órbita a la Tierra, fueron lanzadas al espacio el 30 de agosto de 2012.

Un equipo de científicos pudo observar el tercer cinturón durante cuatro semanas, antes de que una potente onda de choque interplanetaria, procedente del Sol, lo aniquilara. Las observaciones fueron realizadas por científicos de diversas instituciones, incluyendo la NASA, el Laboratorio Nacional de Los Álamos, en Nuevo México, y la Universidad de New Hampshire en la ciudad de Durham, todas estas instituciones en Estados Unidos.



"Incluso 55 años después de su descubrimiento, los cinturones de radiación de la Tierra todavía son capaces de sorprendernos, y todavía tienen misterios por descubrir y por explicar", comenta Nicky Fox, científico del equipo de las Van Allen, del Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad Johns Hopkins, en Laurel, Maryland. Este laboratorio se encargó de construir los satélites gemelos y ahora se ocupa de operaciones de la misión.

Cada nave Van Allen alberga un conjunto idéntico de instrumentos, que permiten a los científicos reunir datos sobre los cinturones con un nivel de detalle sin precedentes. Estos datos son importantes para estudiar los efectos que la "meteorología" espacial (tormentas solares y otros fenómenos cósmicos) tiene sobre la Tierra.

Información adicional

Fuentes : http://www.nasa.gov/home/hqnews/2013/feb/HQ_13-065_Van_Allen_Probes_Belts.html