地震是自然灾害中独一无二的，因为它们在发生前没有任何预警。以 1989 年 10 月 17 日袭击旧金山湾区的 Loma Prieta 地震为例，当时正值旧金山巨人队和奥克兰 A's 队之间晚间世界大赛热身赛进行之际。下午 5:04，圣安德烈亚斯断层的突然滑动以足够的力量震撼了该地区，震塌了一段 1.5 英里的双层高速公路以及连接奥克兰和旧金山的旧金山-奥克兰海湾大桥的部分路段。 超过 60 人丧生。
多年来，科学家们一直在寻找某种信号——哪怕是微弱的先兆——能够让预报员准确地确定大地震发生的确切地点和时间，从而使人们能够避开危险。经过数十年的徒劳搜索，许多地震学家现在怀疑这种信号是否真的存在。
然而，并非所有希望都已破灭。在地震最初的细微震动发生后几秒钟内，科学家们现在可以相当肯定地预测震动的强度和范围。通过将新的科学技术与现代通信技术相结合，当局可以向身处险境的人们发出几十秒甚至半分钟的预警。这听起来可能不多，但足以向发电厂和铁路网络发送关闭警告，自动打开电梯门并提醒消防员。
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Loma Prieta 地震的震中位于海湾以南崎岖的圣克鲁斯山脉。地面开始震动后，破坏性振动花了 30 多秒才传播 60 英里到达旧金山和奥克兰，那里是 80% 以上死亡事件的发生地。 如果当时存在地震预警系统，则可以为该地区中心提供大约 20 秒的预警。 这足以减速和停止火车，向即将降落的飞机发出“复飞”指令，并将红绿灯变成红色——防止汽车进入桥梁和隧道等危险结构。 危险工作环境中的工人可以转移到安全区域，敏感设备可以进入保持模式，从而减少损坏和损失。 学童和办公室工作人员可以在震动到来之前躲到桌子底下。 该地区将准备好迎接即将到来的暴力。
此类网络正在世界各地部署，地点遍及墨西哥、台湾、土耳其和罗马尼亚等地。 日本的系统是最先进的系统之一。 全国性网络通过大多数电视和广播电台、多家手机运营商以及购物中心和其他公共场所的公共广播系统发布预警。 自该系统上线三年半以来，已有十多次地震触发了广泛的警报。 工厂、学校、火车和汽车上的人们获得了宝贵的几秒钟时间来做好准备； 警报发出后，没有关于恐慌或高速公路事故的报告。 美国落后于世界其他地区，但在加利福尼亚州部署的新试验平台应很快在该断层遍布的州建立全面的预警系统。
加利福尼亚州早就应该迎来下一次大地震了。 如果我们现在建立预警系统，我们就可以拯救生命。
从地震波到预警
我们脚下的地面正在移动。 随着构造板块在地球表面漂移，大陆板块相互研磨和碰撞，就像高速公路连环相撞的汽车一样。 地球的地壳——我们居住的板块外层——具有弹性，但仅在一定程度上。 在板块边界处，地壳弯曲，直到应变变得太大。 当它断裂时，先前几十年储存起来的能量会撕裂地球表面，震动其路径中的一切。
每天发生数百次地震。 幸运的是，大多数地震都很小，如果没有灵敏的地震仪的帮助，我们永远不会知道它们。 在日常地震中，断层面仅滑动三到六英尺； 人类无法感受到震动。 在 5.0 级地震中，一两英里的断层面破裂； 人类可以轻易感受到震动，但现代建筑物可以承受它。 在 8.0 级地震中，破裂会沿着断层面传播数百英里，撕裂可能会延伸到地表。 它会将建筑物撕成两半。
通过监测地震之间应变的累积，地震学家知道地壳的许多区域都接近破坏。 但是，地表深处断层的详细结构也在地震破裂的成核和传播中发挥着重要作用——这种结构无法直接采样。 因此，大多数地震学家不相信有可能创建一个能够预测大地震将在数小时或数天前发生的预报系统。 在可预见的未来，任何人能够做的最好的事情就是快速检测到大地震并发出警报。
地震的一些独特特征有助于完成这项任务。 我们感知到的一个持续的震动实际上是分阶段发生的。 来自地壳断裂的能量以两种形式在地球中传播：P 波和 S 波。 两种类型的波同时离开断层面，但相似之处也到此为止。 P 波，像声波一样，是压缩波。 它们传播速度相对较快，但能量不大。 在地震期间，您会感觉到 P 波是突然的垂直撞击。 S 波更像海浪，移动缓慢，包含大部分能量并带来最强烈的震动。 地面运动是水平和垂直的，它们可以将整栋建筑物像冲浪中的小艇一样拍打。
此外，并非所有波看起来都一样； 它们的形状因滑动面的大小而异。 小滑动面的 P 波辐射具有相对较低的振幅和较高的频率——一个小的但尖锐的脉冲。 较大的地震会使断层的较大区域破裂并具有更大的滑动，因此 P 波的振幅更大，频率更低。 这类似于小鸟的吱吱叫声和灰熊的咆哮之间的区别。
单个地震仪可以仅根据此信息估计地震的震级。 任何具有高振幅和低频率的 P 波都会触发警报。 这种单站方法是在震中附近发出警告的最快方法。 然而，地震破裂的特性各不相同——并非所有 5.0 级地震看起来都一样——并且地震仪下方的特定沉积物会修改 P 波。 这种可变性增加了误报（没有地震时发出警告）和漏报（正在发生破坏性地震时）的风险。
为了降低误报和漏报的可能性，我们可以结合相距几英里的多个地震仪记录的数据。 在这种设置中，每个仪器下方的沉积物将是不同的，因此我们可以获得震级的平均估计值。 这种方法需要地震网络将仪器数据传输到中央站点，然后对其进行整合。 然而，传输和分析数据需要几秒钟，并且在每过去一秒钟，破坏性 S 波都会传播另外两到三英里。
因此，最好的方法是将单站方法和基于网络的方法结合起来，这为震中附近区域的快速预警和远处位置的数十秒预警提供了可能性。
任何系统都必须在准确性和可用预警时间之间做出权衡。 随着地震网络收集更多关于地震的数据，预测将得到改善，但震动的时间将减少。 一些用户可能会容忍更多的误报和漏报，以获得更多的预警时间。 例如，学校可能更希望尽早收到预警，以便孩子们可以躲避。 每年几次误报可以提供必要的定期演习，以便每个人都知道该怎么做。 相比之下，核电站只需要一秒钟即可关闭反应堆——但这样做会付出巨大的代价。 那里的运营商会希望等到极端震动确定发生时再采取行动。
近距离和远距离警报
公共地震预警系统以一种或另一种形式存在了几十年。 在 1960 年代，日本工程师在新干线高速列车的轨道上安装了地震仪。 过度震动会发出警报，让列车员有机会减速。 后来，科学家们设计了使用远距离地震仪在最强烈震动到来之前传递预警的系统。 墨西哥的网络旨在探测海岸线附近的地震，并在墨西哥城（一个拥有 2000 多万人口的古老都市，建在放大地震波的淤泥湖床上）广播预警。 海岸与城市之间的距离可以提供超过 60 秒的预警时间。
墨西哥的系统于 1993 年上线。 两年后，它将经历第一次严峻的考验。 1995 年 10 月 9 日，一场 8.0 级地震袭击了曼萨尼约海岸附近。 预警系统检测到震动，并通过墨西哥城的电视台和广播电台以及类似于美国天气预报无线电的专用无线电预警系统广播了警报。 由于预警，官员们能够在震动到来前 50 秒停止地铁系统，学校也按计划疏散。
日本的系统于 2007 年投入使用，大量使用了个人技术。 警报不仅通过电视和广播发布，还通过家庭、办公室和学校的专用接收器发布。 计算机上的弹出窗口显示实时地图，其中包含震中的位置和辐射状地震波。 计时器倒计时到您所在位置的震动，并突出显示预测强度。 手机运营商向所有手机广播类似短信的警告，并带有特有的声音警报。 核电站、铁路系统、机场和危险制造设施等关键行业使用针对其需求量身定制的专用通信系统。
日本的经验表明，地震预警系统不仅有助于保护生命，还有助于提高盈亏底线。 2003 年，日本仙台附近的两次地震给 OKI 半导体制造厂造成了超过 1500 万美元的损失，原因是火灾、设备损坏和生产力损失。 地震发生后，该工厂不得不分别停产 17 天和 13 天。 随后，该公司花费 60 万美元改造工厂并安装预警系统。 在此后的两次类似地震中，该工厂仅遭受了 20 万美元的损失，停产时间分别为 4.5 天和 3.5 天。
加利福尼亚的诅咒
加利福尼亚州是地震之乡。 2006 年，一个由大学以及州和联邦机构组成的联盟联合起来开发了 ShakeAlert，这是一个针对该州的预警系统。 目前，一个原型系统将大约 400 个地震台站连接在一起，并很快将向一小群测试用户发送警报。 最终完成的系统不仅将向震中附近的人们提供即时单站警报，还将向远处的人们提供广泛的基于网络的警报。 如果一切顺利，警报将在第一个 P 波到达后五秒钟内可用。
然而，加利福尼亚州要实现像日本那样全面的网络覆盖还有很长的路要走。 现有的 400 个地震台站集中在旧金山湾区和洛杉矶都会区周围，其他地方留有空白。 尽管大多数加州人居住在这两个区域附近，但空白既减慢了系统的速度，又降低了系统的准确性，因为在多个位置检测 P 波需要更长的时间。 在日本，仪器遍布全国，每 15 英里间隔一个。 加利福尼亚州的这种间隔水平将提供最佳的系统性能，误报和漏报更少，预警时间更长。
这些警报就像日本的警报一样，将利用大多数人每天携带的网络设备。 个人将在他们的手机上收到警报，指示预测的震动强度、震动开始前的倒计时，以及可能简单的指示，例如“躲到桌子底下”或“移动到您的安全区”。 基础设施分布在较大区域的较大组织可能需要更详细的信息，例如显示地震波传播和受影响区域地面震动分布的实时地图。
与大地震的潜在危险相比，这样一个系统只需要适度的投资——100 个新的地震台站和现有基础设施的升级，总成本为 8000 万美元。 五年后，该系统就可以启动并运行。 六年后，我们可能会非常庆幸它存在。