几周前，地震学家汤姆·希顿正在与一位记者通电话，极力赞扬他帮助发明的一种新型地震早期预警系统的优点。突然，警报在他洛杉矶地区的办公室电脑屏幕上闪烁。“哦，它刚刚弹出来了！旧金山发生了地震，地震波大约在两分半钟后到达我这里，”希顿瞥了一眼说道。“但震级是[里氏] 2.8级，所以我们不会感觉到。”
希顿是加州理工学院地震工程研究实验室主任，他是加州研究人员团队的一员，该团队负责开发名为ShakeAlert的新型预警系统。该系统由地震最早的震波触发，这种震波非常轻微，人类无法感觉到。
目前，只有这些研究人员会收到即将发生地震的预警。但这种情况可能很快就会改变，因为加州州长杰里·布朗在九月份签署了一项法案，该法案将启动向整个金州公众提供这些警报的进程。希顿甚至有更大的希望在整个西海岸推广该系统，因为研究人员预测，未来50年内，俄勒冈州南部海岸发生大地震的几率为40%。
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目前阻碍 ShakeAlert 发展的唯一因素是价格：州级系统需要 8000 万美元*。这将购买更多的监测站（每个监测站的地震仪、GPS 仪器和数据记录仪成本为 2 万至 3 万美元）；更强大的通信网络来传输信号；以及严格的压力测试，以确保系统即使在最强烈的地震中也能正常运行。完成所有这些之后，该系统每年还需要约 1600 万美元的运行费用。“专家告诉我们，如果第一年的资金到位，他们可以在三年内部署该系统，”加州州参议员、该法案的提出者亚历克斯·帕迪拉说。“我们等待的时间越长，获得收益所需的时间就越长。”
到目前为止，立法者尚未为该系统拨款。州长布朗已要求紧急服务办公室 (Cal OES) 在 2016 年之前制定 ShakeAlert 的融资计划，但已明确表示，该州960 亿美元的普通基金不在考虑范围内。该机构计划成立一个委员会来探索各种方案，帕迪拉表示，这些方案可能包括公私合作、电信附加费、重新分配的高速铁路资金或联邦拨款。“目前，挑战之一肯定是成本，”Cal OES 的发言人格雷格·雷尼克说。“我们将研究其他国家的系统是如何 финансирования 的，以及是否有任何经验可以应用于加利福尼亚州。”
ShakeAlert 的模型借鉴了墨西哥、中国和意大利的成功系统，以及一个为 5200 万日本公民争取到宝贵时间为 2011 年 9.0 级东日本大地震做准备的系统。
最常被引用的成功案例之一是日本的冲电气工业株式会社，该公司在一家微芯片制造厂因 2003 年两次地震遭受 1500 万美元损失后，在该工厂安装了自己的地震早期预警系统。在安装了价值 60 万美元的系统后，又发生了两次类似的地震——而这一次，修复损失仅花费了 20 万美元。工厂在短短几天内就恢复了运转，而不是像 2003 年那样需要几周时间才能恢复在线。
加州系统 8000 万美元的价格标签可能看起来很高，但今年 Cal OES 的总预算为 12 亿美元，而州政府本身的年度预算为 1450 亿美元*。“如果你考虑到地震破坏和赔偿以数十亿美元计，而我们只要求投入数百万美元来建设，这简直是小菜一碟，”伯克利地震实验室的发言人詹妮弗·斯特劳斯说。
与此同时，时间正在流逝——加利福尼亚州是美国城市地区断层线密度最高的州，并且根据《自然》杂志最近发表的一份报告，未来 30 年内有 99% 的可能性发生 6.7 级或更强烈的地震，该报告由伯克利实验室主任、美国最杰出的地震学家之一理查德·艾伦撰写。他的实验室在过去六年里与加州理工学院、美国地质调查局、苏黎世瑞士联邦理工学院和南加州地震中心合作建立了 ShakeAlert。（《大众科学》是自然出版集团的一部分。）
即使资金尚未到位，科学基础仍然是坚实的。该系统之所以有效，是因为地震以两种波的形式传播。P 波（或纵波）首先到达，它们非常轻微，人类无法察觉（尽管猫和狗可以感觉到它们）。它们从震中向外扩散，比 S 波（或横波）提前几秒到达，S 波会引起我们认为是地震的震动和破坏。“最简单的解释是，来自地震震中区域的信息可以以光速到达我们这里，而地震波必须以大约每秒两英里的较慢速度传播，”加州理工学院的希顿说。“因此，我们可以告诉不在震中的人们，地震波正在袭来。”
一旦 P 波在 ShakeAlert 合作机构维护的遍布全州的 400 个地震仪组中登记，原始数据就会立即传输到一套中央软件，该软件使用三种算法计算对其进行处理：第一种算法称为ElarmS，它从多个地震仪收集数据，并计算地震的位置和震级。第二种算法称为 Onsite，它仅根据一个地震仪（理想情况下位于震中附近）进行相同的操作。最后一种算法称为 Virtual Seismologist，它将地形和最近的地震活动添加到分析中。
一旦这些算法在几秒钟内完成应用，数据就会传递到另一个名为决策模块的软件，该模块会立即综合数据并向用户发出警报，包括地震的震级、位置和预计的震动程度（弱、中、强或非常强）。安装在用户设备（无论是笔记本电脑、智能手机、收音机还是电视）上的软件会根据地震波在地球地壳中传播速度的估计值，将此信息转换为他们特定位置的倒计时。用户可以期望的最长提前预警时间为两分半钟。许多预警时间会明显缩短，具体取决于与震中位置的距离。当然，该系统对那些不幸居住在震源地的人无济于事。
但即使是几秒钟的预警时间也足以让人们采取掩护、寻找避难所或将车辆靠边停车以应对大地震。信号还可以被引导到自动化系统中，这些系统可以关闭工厂设备、警告即将到来的飞机避开跑道并通知医生，以便他们停止精细的医疗程序。一旦信号公开可用，开发和分发这些应用程序将主要成为私营部门的工作。
目前，来自加州预警系统的警报仅广播给 50 位科学家和加州综合地震网络的 36 个合作伙伴，该网络是运营演示系统的机构组。该信号尚未向公众发布，因为研究人员首先要确保其尽可能准确。在 2009 年 4 月 6.3 级地震袭击拉奎拉市之前，意大利的六位地震学家和一位政府官员因低估地震风险而在 2012 年被判犯过失杀人罪并被判处六年监禁。
谷歌、安进、洛杉矶市和旧金山湾区捷运 (BART) 是已经接收到信号的合作伙伴之一。停止一列 BART 列车需要 24 秒，交通管理局已经安装了一个由 ShakeAlert 触发的自动制动系统，以便在即将发生大地震时停止列车，从而大大降低脱轨和死亡的风险。
展望未来，美国地质调查局似乎是运营加利福尼亚州或整个西海岸早期预警系统的当然之选。但希顿表示，该机构的预算已削减至 30 年前的不到三分之一。“对于我们这些从事地震业务的人来说，除非地震中有人死亡，否则我们不会获得任何新的资源，”希顿说。“这真是一个可悲的局面。”
约翰·维代尔是华盛顿大学的地震学家，也是太平洋西北地震网络的主任，该组织正在努力将加州系统扩展到华盛顿州和俄勒冈州，他对此持更乐观的态度。他认为，随着西海岸越来越多的人了解该系统的潜力，公众压力将会增加。“我的感觉是，对早期预警系统的需求压力将持续增加，直到我们拥有它为止，”维代尔说。“这只是时间快慢的问题。”
以及它是否会在下一次大地震之前到来。
*更正（2014 年 2 月 7 日）：本文的早期版本列出了加州州级系统的成本为 1.2 亿美元。1.2 亿美元是覆盖整个西海岸的系统的成本。
本文由Scienceline提供，Scienceline是纽约大学科学、健康与环境报道项目的一个项目。