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¿Por qué no se ha implementado un sistema de alerta temprana en Costa Rica si los acelerógrafos están en línea y transmiten segundo a segundo sus datos a la central? ¿Qué impide técnicamente el uso de la señal actual de los acelerógrafos, antes de una posible desconexión por daños, para que esta pueda ser retransmitida por la central como señal de advertencia?

Un sismo se genera dos tipos de ondas principales: ondas P y ondas S. Las ondas P siempre llegan de primero a cualquier estación sismográfica y se caracterizan por movimientos verticales. Las ondas S llegan de segundas y su movimiento es predominantemente horizontal. Las ondas S son las que contienen la mayor amplitud y por tanto también la mayor cantidad de energía de un sismo. El movimiento horizontal que estas generan es uno de los principales causantes de daños a estructuras.

Tomando en cuenta que las ondas P son casi 2 veces (1.73 para ser más exactos) más rápidas que las ondas S, la detección temprana de las ondas P nos podría servir para estar atentos a la llegada de las ondas más destructivas que serían las ondas S.

Un sistema de alerta temprana de terremotos se basa en la idea de que la estación o conjunto de estaciones que primero detecte un sismo fuerte (que generalmente será la más cercana al epicentro), envíe una señal de radio que sirva para alertar a otros sitios sobre la llegada de la parte fuerte del movimiento.

¿Qué ejemplos hay de dicho sistema?

Los paises que en la actualidad cuentan con un sistema de alerta temprana son México, Japón, Taiwán, Turquía y Rumanía.  El sistema varía ligeramente de un país a otro, de manera que en unos casos se hace uso de una sola estación para activar la alarma y en otros se utiliza una red de estaciones sincronizadas entre ellas.

En el caso de Japón, se usa el sistema de una sola estación. El sistema de llama UrEDAS (Urgent Earthquake Detection and Alarm System) que calcula la magnitud y localización de un sismo usando para ello la información de los primeros 3 a 4 segundos de arribo de la onda P (Nakamura, 1988; 1996a; 1996b). Este fue originalmente implementado para detener el tren de alta velocidad de Japón.  A partir de 1990, también la Agencia Meteorológica de Japón (JMA)  y el National Research Institute for Earth Science and Disaster Prevention (NIED) iniciaron sus propios sistemas basados en redes de estaciones (Kamigaichi, 2004; Horiuchi et al., 2005, Fujinawa et al., 2008).

En México el Sistema de Alerta Sísmica (SAS) fue implementado luego del terremoto de 1985 en el que muerieron aproximadamente 10000 personas en la capital. Este desastre fue muy importante porque el epicentro se ubicaba a lo largo de la zona de subducción frente a Michoacán, a más de 300 km de distancia de la capital.  El SAS consta de varios equipos de movimiento fuerte ubicados a lo largo de la costa mexicana. Cada uno detecta los parámetros de un terremoto en aproximadamente  10 segundos. El sistema envía una señal si el sismo es mayor a 6 grados y el centro de control decide si se emite la alarma general a la población (Lee & Espinoza-Aranda, 1998).

En Taiwán, el tiempo estimado es de 22 segundos para el procesamiento de la señal y la estimación de la magnitud. El objetivo es alertar a poblaciones a más de 75 km de distancia (Wu & Teng, 2002).

Tomando en cuenta lo anterior, podemos ver que para un sistema de alerta temprana se necesita al menos lo siguiente:

  1. Una red bastante densa de sensores.
  2. Un sistema de telemetría altamente eficiente, que no falle en el momento de la ocurrencia de un sismo fuerte.
  3. Una central de procesamiento rápida.
  4. Un protocolo de emergencia (es decir, contar con instrucciones y el entrenamiento preciso en caso de que se produzca un sismo fuerte y se emita la alarma).

Basándonos en la experiencia de registro de acelerogramas que se ha llevado a cabo en los últimos dos años por parte del Laboratorio de Ingeniería Sísmica, procedemos a estimar el tiempo aproximado que tardaría la onda S en llegar a San José a partir de sismos de diferente magnitud que hemos registrado.

En Costa Rica

Esta investigación es totalmente empírica y se basa en sismos moderados. Un sistema de alerta temprana es principalmente utilizado para avisar de la ocurrencia de sismos fuertes (magnitudes mayores a 6 o 7 grados). Un sismo de magnitud 5 es 900 veces más pequeño que uno de magnitud 7. Las dimensiones de la falla son totalmente diferentes y pueden influir en los cálculos que aquí se hacen.

La metodología utilizada en los ejemplos que se presentan a continuación es muy sencilla. Se seleccionaron los sismos de Mw > 5 que han ocurrido a lo largo de la costa pacífica y caribe de Costa Rica desde el 2010. Durante este tiempo, en la zona de Limón, no hemos registrado eventos de esa magnitud. El más importante ha sido el del 27 de febrero del 2011 que fue de 4.5 Mw.

Al tratarse de datos observados, el arribo de las ondas P y S a cada estación es inequívoco. Es decir, pudimos haber realizado simulaciones numéricas para estimar los tiempos de arribo de dichas ondas, pero para efectos de este breve análisis, decidimos trabajar con registros reales.

Para cada uno de los eventos, calculamos el tiempo de arribo de las ondas P y S a la estación más cercana al epicentro. Lo mismo se hizo con una o dos estaciones intermedias entre esa primera estación y la última que sería la ubicada en San José.

Si en Costa Rica existiera un sistema de alerta temprana que cubriera todo el territorio nacional como en Taiwán, necesitaríamos saber únicamente cual es el tiempo con el que contaría la población en San José antes de que llegaran las ondas S procedentes de cada uno de los focos sísmicos que hemos seleccionado.

Esto es posible en parte gracias a que el LIS lleva a cabo la determinación de la magnitud y localización de los sismos que utiliza en sus cálculos. Ello nos ha permitido no solo contar con el valor de la hora y minuto del inicio del sismo (llamado Tiempo Origen), sino también con los segundos e incluso milisegundos. Para efectos prácticos, los cálculos se muestran a nivel de segundos únicamente.

Escenario 1:  Zona Sur

La zona sur es una región muy activa en la que se han producido sismos muy fuertes como el de Golfito de 1983. El sismo y las estaciones que seleccionamos en este escenario se muestran en la figura 1.


Figura 1. Ubicación del epicentro y estaciones seleccionadas.

El sismo tiene una magnitud de 5.0 grados y se origina a las 23:12:34 hora local (11:12:34 pm). La distancia a San José es de 209 km.

Como la estación más cercana es Laurel, las ondas P llegan a esa estación en tan solo 5 segundos.  A partir de ese momento, si esta estación tuviera que emitir una alerta, tiempo de procesado sería aproximadamente de 15 segundos en promedio si se hubieran usado los métodos empleados en Japón, México y Taiwán.

Tomando estos 15 s de referencia como el tiempo que se tardaría en procesar la información proveniente de la estación Laurel (no se tiene ese dato para Costa Rica debido a que aún no se ha desarrollado el sistema de alerta) entonces, a las 23:12:54 segundos de haber llegado la onda P a Laurel se tendría el aviso de la ocurrencia de un sismo. Esto significaría que habría un tiempo de aproximadamente 40 segundos antes que llegaran las ondas S a la capital.

Esto parece ser mucho tiempo, pero es el mejor de los casos. Supongamos que en vez de usar el método de una sola estación, aplicamos el de una red de estaciones. En la zona sur el LIS tiene equipos en San Vito, Ciudad Neily, Golfito y Puerto Jiménez (no se muestran en el mapa) que podrían ser usados en el refinamiento de la señal. El costo-beneficio de esto sería que habría que esperar a que la señal sísmica llegue a cada una de ellas para que se hiciera el procesado.

Gráfico 1. Tiempos de arribo de P y S con la distancia a cada estación.

Tal como se ve en la figura y el gráfico 1, la onda P llega a la estación de Potrero Grande a las 11:12:47 p.m., unos 7 segundos más tarde que a Laurel. Para ese entonces, ya habría llegado a las otras estaciones de la zona sur ( San Vito, Ciudad Neily, Golfito y Puerto Jiménez ) que en teoría habrían procesado la información y refinado la magnitud y ubicación del evento. Si ese fuera el caso, y aún así se tardaran 15 segundos en el procesado en Potrero Grande, se contaría con un tiempo de aproximadamente poco más de 25 segundos antes que llegaran las ondas sísmicas de tipo S a San José.

Escenario 2:  Pacífico Central

Para este escenario, tenemos el sismo del 13 de febrero del 2012 que ocurrió en el mar.  Este evento ocurre en una zona bastante activa donde en el pasado se dieron sismos de hasta Mw 6.9 grados.


Figura 2. Ubicación del epicentro y estaciones seleccionadas.

Se escogieron los estaciones de Quepos, San Ignacio de Acosta y San José.  El sismo se origina a las 04:55:09 de la mañana, las ondas P llegan a Quepos en 5 segundos, a las 04:55:16 ya que la estación está a unos 43 km del epicentro.

Si el procesamiento se llevara a cabo en Quepos y se contabilizan 15 s, estaría listo a las 04:55:31 lo que daría unos 6 segundos de tiempo después que llegaran las ondas P a San José y solamente 7 segundos antes de la llegada de las S, por lo que el tiempo no sería suficiente para emitir una alerta.

Escenario 3:  Cóbano

En 1990 sucedieron un par de eventos  bastante importantes cerca de Cóbano, el más fuerte de Mw 7.0. El más fuerte que ha registrado la nueva red acelerográfica en esa zona ha sido el del 16 de setiembre del 2010 con magnitud 5.0 grados.


Figura 3. Ubicación del epicentro y estaciones seleccionadas.

Al igual que en el Escenario 1, el epicentro está ubicado muy cerca de la estación acelerográfica.  Las ondas P llegan a Cóbano en 2 segundos.

Partiendo del supuesto de que el procesado tardaría aproximadamente15 segundos, habría un aviso de arribo de las ondas S a San José de 17 segundos.

Escenario 4:  Pacífico Norte

En este caso analizamos los tiempos de arribo de un sismo ocurrido en el Pacífico Norte que tuvo una magnitud de 5.0 grados y además ocurrió a unos 40 km de profundidad.  El evento fue sentido en esa ocasión en todo Guanacaste.


Figura 4. Ubicación del epicentro y estaciones seleccionadas.

Este sismo es le más lejano que consideramos en este breve análisis.  Se escogió la estación de San Cruz, aunque se  pudo haber tomado también la estación de Liberia como la más cercana.

Al igual que el sismo del 13 de febrero, este evento está ubicado bastante lejos de la estación más cercana. El sismo ocurre a las 07:54:15 am del 23 de julio del 2011, pero las ondas P llegan a la primera estación 10 segundos más tarde.

Si tomamos nuevamente un tiempo de procesado de 15 s y aprovechando que la distancia es superior a los 75 km entre Santa Cruz y San José,  la alarma se generaría a las 07:54:40. Este tiempo, es casi igual al que tardaría la onda P en llegar a la capital, pero se contaría con casi 30 segundos para emitir una alerta de arribo de la onda S al Área Metropolitana.

El tiempo de este escenario es muy interesante porque se podría reducir aún más ubicando una estación cerca de la costa.

Escenario 5:  Caribe

Aunque la sismicidad del Caribe es mucho más baja que en el Pacífico, no deja de ser muy importante. Ha sido precisamente en el Caribe donde hemos experimentado uno de los terremotos más grandes de los últimos 20 años. Se trata del terremoto del Valle de la Estrella o Telire que tuvo una magnitud Mw de 7.6 según el catálogo global del Centroid Moment Tensor (CMT).

Tal como se dijo al inicio, no se cuenta con un registro de un sismo de magnitud mayor a 5.0 grados, por lo cual en este caso se hará esta evaluación con uno de 4.5.


Figura 5. Ubicación del epicentro y estaciones seleccionadas.

El sismo tarda 6 segundos en llegar a Limón, la estación más cercana.  Aunque el procesamiento fuera 15 segundos, esto representaría un tiempo de 17 segundos de tiempo antes que las ondas S lleguen a San José.

La zona del Caribe cuenta con la estación de Limón en el Campus de la UCR, también, recientemente se abrió una nueva en Moín.  Con estas dos a prácticamente la misma distancia, la estimación de movimiento fuerte, ubicación y magnitud preliminar podrían dar un resultado más confiable que con una sola estación.

Conclusión

En la práctica, el desarrollo de un sistema de alerta temprana es mucho más complicado de lo que aquí se ha expuesto. Tal como se indicó al principio, el poseer una red densa de equipos es solo uno de 4 requisitos para tener un sistema de alerta operacional que represente alguna utilidad. El punto 4 mencionado, requiere de la participación y el compromiso de otras instituciones que trabajan estos temas.

De acuerdo con Allen (2009), en California existe una red de 300 estaciones que podrían usarse para implementar un sistema de alerta temprana.  Sin embargo, para garantizar la solidez del sistema, se necesitarían otras 600 estaciones que representan un costo de entre 6 y 30 millones de dólares.  Además de eso, el costo del mantenimiento de la misma sería de entre 2 y 6 millones de dólares anuales.

Debería de existir un sistema de telemetría exclusivo y altamente eficiente que se encargue de hacer llegar la transmisión de la alerta a los interesados.  También habría que encargarse de llevar a cabo ensayos a todos los niveles sobre como comportarse en caso de que dicha alarma entrara en operación y la mejor manera de actuar ante el peligro inminente.

De los diferentes escenarios mostrados, se desprende que el factor distancia es crucial.  Un sismo con una profundidad somera y a menos de 20 ó 30  km  de una ciudad, prácticamente no daría tiempo de activar ningún tipo de alerta.  Por otro lado, cuando las distancias son de aproximadamente 100 km el sistema puede funcionar con bastante tiempo de anticipación. Sin embargo, debemos considerar que  la amplitud de las ondas sísmicas en el caso de sismos lejanos, por lo general no representarían mayor peligro a la ciudad lejana debido a que las ondas se atenuarían (perderían energía con la distancia).

El ejemplo más claro sería el del terremoto de 1991 que se ubicó a unos 100 km al SE de San José. Este sismo tuvo una Mw 7.6 a unos 15 km de profundidad. Según los datos históricos del USGS, la intensidad en la escala de Mercalli para el sector de Alajuela-San José fue de VI.  La mayor parte de la destrucción y donde hubo más víctimas fatales fue en la zona epicentral, precisamente en el sitio donde no habría ningún tipo de posibilidad de emitir una alarma.

No poseemos datos de aceleración cerca del epicentro del terremoto de 1991, pero existen registros en otros sitios tales como Hatillo, Guatuso, y Alajuela que nos pueden dar una idea mejor de la intensidad en San José.  En Hatillo el valor de aceleración fue de 118 cm/s2, en Guatuso de 102 cm/s2 y en Alajuela de 108 cm/s2. Estos valores concuerdan muy bien con una intensidad de Mercalli de VI según las equivalencias entre aceleración e intensidad usadas en el LIS. Probablemente un sismo con las mismas características (magnitud y profundidad) que el sismo de Limón a la misma distancia podrían producir un impacto similar en San José.

En cualquiera de los casos, los acelerógrafos cuentan con una gran ventaja que si es muy útil y que puede evitar mayores daños materiales e incluso salvar vidas aún sin haber ningún aviso de terremoto. Los equipos pueden estar conectados a otras computadoras que se encargarían de apagar, por ejemplo, válvulas de gas, detener ascensores, abrir puertas de emergencia, activar códigos de seguridad, etc., todo esto en base al nivel de aceleración del suelo.

La implementación de tales dispositivos evitarían que se generaran incendios cuando el movimiento es muy fuerte o que se activaran los sistemas de emergencia de un hospital o que se abrieran automáticamente las puertas de establecimientos en lugares como estadios o estaciones de bomberos para poner a salvo las unidades de socorro.

El trabajo de monitoreo en tiempo real que ha llevado a cabo este laboratorio ha sido posible gracias a que la conexión de internet siempre se ha mentenido estable durante el movimiento sísmico. Lo ideal sería que la red acelerográfica formara parte de un sistema de emergencia (en el que otras instituciones colaboraran de forma más estrecha) que garantizara su estabilidad durante las 24H los 365 días del año. Un sistema de alerta temprana no puede ser implementado por una sola institución, sino que requiere un trabajo en equipo y por supuesto mucha voluntad política.

Referencias:

  • Allen, R.M. (2009) Earthquake Hazard Mitigation: New Directions and Oportunities in Earthquake Seismology, Editor-in-chief Gerald Schubert, vol 4, Elsevier, pp 607-643.
  • Lee, W.H. & Espinosa-Aranda, J.M. (1998) Earthquake early warning systems: current status and perspectives en Internat. IDNDR-Conf. on Early Warning Systems for the Reduction of Nat. Disasters EWC'98, GeoForschungsZentrum Potsdam, organized by the Local Organising Committee of the Secretariat of the International Decade for the Natural Disaster Reduction (IDNDR), vol. C 560, 183 pp., no. 75/311, pp. 1-28, (ISBN 3-933346-037)
  • Y. Fujinawa, Y. Rokugo, Y. Noda, Y. Mizui, M. Kobayashi, and E. Mizutani, “Efforts of Earthquake Disaster Mitigation Using Earthquake Early Warning in Japan,” S05-03-014, Proc. 14 World Conf. on Earthquake Engineering, 2008.
  • Horiuchi, S. Negishi, H. Abe, K. Kamimura, A. and Fujinawa, Y. (2005). An automatic processing system for broadcasting earthquake alarms. Bull. Seismol. Soc. Am. 95, 708-718.
  • Kamigaichi, O. (2004) JMA Earthquake Early Warning. J. Japan Assoc. Earthquake Engineering, 4, 134-137.
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  • Nakamura Y and Tucker BE (1988). Japan's earthquake warning system: should it be imported to California? Calif. Geology, vol 41 (2), p 33-40.
  • Wu, Y. M., and T. L. Teng (2002). A virtual sub-network approach to earthquake early warning. Bulletin of the Seismological Society of America 92, 2,008–2,018.