La cuarentena impuesta por varios gobiernos alrededor del mundo provocó un cambio repentino y drástico en las actividades humanas. Este cambio tuvo efectos significativos como importantes disminuciones en las emisiones de NOx [Goldberg et al., 2020] y del ruido sísmico de fondo registrado por estaciones sismológicas en todo el mundo (fig. 1) [e.g., Lecocq et al., 2020; Poli et al., 2020; Dias et al., 2020; Lindsey et al., 2020].
Jean Baptiste Tary (1), Indira Molina (2), Esteban Poveda (3)
(1) Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Necesita activar JavaScript para visualizarla., Doctorado en Geociencias Marinas, profesor asistente, Universidad de los Andes
(2) Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Necesita activar JavaScript para visualizarla., Doctorado en Ciencias de la Tierra, profesor asistente, Universidad de los Andes
(3) Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Necesita activar JavaScript para visualizarla., Doctorado en Geofísica, profesor de catedra, Universidad de los Andes, Sismólogo del Servicio Geológico Colombiano.
De hecho, la cuarentena de este año resultó ser el período más largo asociado con una disminución tan importante en los niveles de ruido desde el comienzo del monitoreo sismológico moderno en la primera mitad del siglo xx. Las actividades humanas son reconocidas como importantes fuentes de ruido, por lo que las estaciones sismológicas se instalan preferiblemente en lugares despejados, alejados de los centros urbanos y / o enterrados muy profundamente.
Figura 1. Registro de una señal sísmica en un tambor. ¿Hay ruido o no hay? Es mejor la detección en algunas estaciones.
Fuente: https:// https://comofunciona. c o . c o m / w p - c o n t e n t / u p l o a d s / 2 0 1 6 / 1 1 /SIsmografo.jpg
El ruido sísmico ambiental consiste en una variedad de vibraciones registradas por un instrumento dado [Larose et al, 2015]. Estas vibraciones consisten en un campo de ondas difuso formado principalmente por ondas de Rayleigh [Shapiro and Campillo, 2004]. Tienen múltiples orígenes, inclusos los naturales y antropogénicos, según la ubicación específica del instrumento. Entre las fuentes naturales de ruido ambiental, se encuentran los microsismos que resultan principalmente de las condiciones atmosféricas y las interacciones entre los océanos y la Tierra sólida (ej., mareas, olas que golpean la costa) [Cessaro, 1994; Bonnefoy-Claudet et al., 2006], entre otras fuentes como movimientos de árboles y cambios de temperatura en el suelo (Fig. 2).
Figura 2. Diferentes fuentes de ruido sísmico que podrían ser registrados por un sensor sísmico. Fuente:Larose et al., 2015 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0926985115000403#f0005
Por otro lado, las fuentes antropogénicas de ruido ambiental abarcan muchas actividades humanas como el tráfico de trenes, carros y la maquinaria en general son los principales contribuyentes. También se pueden observar patrones especiales correlacionados con las actividades humanas con, por ejemplo, menos ruido durante las noches, fines de semana y feriados [Yabe et al., 2020]. El ruido ambiental que proviene de fuentes naturales y antropogénicas generalmente difiere en el contenido de frecuencia. Generalmente, fuentes antropogénicas y naturales tienen frecuencias por encima y por debajo de 1-5 Hz, respectivamente [Bonnefoy-Claudet et al., 2006]. El ruido antropogénico se registra solo localmente porque se atenúa rápidamente con la distancia (es decir, dentro de un kilómetro) y la profundidad (es decir, dentro de unos pocos cientos de metros) [Lecocq et al., 2020].
El ruido antropogénico generalmente es muy difícil de separar de otros ruidos y señales. El período de relativa tranquilidad correspondiente a la cuarentena es entonces una oportunidad para estudiar las características de los ruidos naturales y antropogénicos. Este ruido también puede ser útil para monitorear las actividades humanas en tiempo real, tal como el cumplimiento de una población con las instrucciones de cierre [Dias et al., 2020]. Los niveles de ruido más bajos también pueden ayudar a la detección de señales importantes con amplitudes bajas, como lo son pequeños terremotos y señales de largo período registradas en los volcanes. Estas señales son importantes para evaluar mejor sus actividades y niveles de amenaza. En esta nota, mostraremos el procesamiento y análisis de datos sismológicos provenientes de estaciones en 3 ciudades de Colombia. Luego discutiremos el impacto o de las medidas de cierre en los niveles de ruido en estas estaciones y sus implicaciones para las actividades humanas en estas ciudades.
2. Analisis y resultados
Para el análisis de los datos hemos seguido la metodología de Lecocq et al., [2020]. En sintesis, se usa la densidad espectral de potencia probabilística (ppsd, Probabilistic power spectral density) sobre el registro continuo de las estaciones sísmicas. Esta es una herramienta comúnmente usada en sismología para cuantificar los niveles de ruido en los lugares donde se encuentran instalados los sismómetros [McNamara and Buland, 2004]. Con los ppsd diarios es posible estimar la media cuadrática del desplazamiento (rms, root-mean.square) en función del tiempo, dando como resultado el desplazamiento del suelo ocasionado por el ruido y registrado por el sensor a diferentes bandas de frecuencia. Nosotros aplicamos dicho procesamiento al registro continuo de la componente vertical de dos sismómetros: unos de corto periodo ubicados a menos de 30 km de la ciudad de Villavicencio (Fig. 3a) y dentro de la ciudad de Medellín (Fig. 3g), y otro de tipo banda ancha en cercanías de la ciudad de Quibdó (Fig. 3d). Estas ubicaciones brindan la oportunidad de hacer un seguimiento de la variación del ruido cultural. Para ello hemos aplicado a las series de tiempo dos filtros a los datos registrados entre Enero y finales de octubre de 2020, basados en el ruido sísmico ambiente de alta frecuencia (hifsan por sus siglas en inglés (lecocq et. al., 2020)), el cual es dominado principalmente por las actividades humanas y ruido cultural, uno de los filtros corresponde a una banda entre 1 y 10 Hz y otro de 4 y 20 Hz. Durante dicho periodo no hubo terremotos notables registrados claramente por los instrumentos. La Figura 3b-e-h muestra los resultados para las estaciones de Villavicencio, Quibdó y Medellín en la banda de 110 Hz, mientras que la Figura 3c-f-i muestra los resultados para las mismas estaciones en la banda de 420 Hz. La curva azul muestra la variación diurna, mientras que la curva roja es el promedio cada 6-16 días.
En las 3 estaciones (Fig. 3b-c, e-f, h-i)), se nota que hubo una caída importante de la amplitud y promedio diarios del ruido sísmico coincidente con el 25 de Marzo del 2020, fecha desde la cual entró en vigencia el Decreto 457 de 2020, bajo el cual el gobierno estipuló el “Aislamiento Preventivo Obligatorio de 19 días en todo el territorio colombiano, hasta las cero horas del 13 de abril”, bajo ciertas excepciones que buscaron garantizar el derecho a la vida, a la salud y la supervivencia de los habitantes del país (https://id.presidencia.gov.co/Paginas/prensa/2020/Gobierno-Nacional-expide-Decreto-457-mediante-el-cual-imparten-instrucciones-para-cumplimiento-Aislamiento-Preventiv-200323.aspx). Se pude notar claramente que la disminución del ruido sísmico observado en las 3 estaciones coincidió con el inicio y fin de la vigencia de este Decreto 457 de 2020 (Fig. 3). A partir del 13 de Abril entraron en vigencia otros decretos (por ejemplo: los Decretos 593, 636, 689, 749), que se encadenaron unos a otros, con periodos de vigencia quincenales hasta el 1 de Septiembre, con el fin de limitar la propagación del covid. Desde mitad de Abril y hasta el 1 de Septiembre, la amplitud promedio del ruido aumentó en las 3 estaciones (Fig. 3), aunque no regresó a los mismos niveles que había antes del inicio de la cuarentena. Este incremento gradual del ruido sísmico es debido a que el gobierno permitió que varios sectores de la economía (por ejemplo: manufactura, construcción, actividades físicas al aire libre, juegos de suerte y azar, bicicletas, parqueaderos públicos, etc.) pudieran regresar de manera gradual a sus actividades desde el 27 de Abril (https://id.presidencia.gov.co/Paginas/prensa/2020/Abece-del-Decreto-593-que-amplia-de-35-a-41-las-actividades-exceptuadas-del-Aislamiento-Preventivo-Obligatorio-200425.aspx), y hasta el 1de Septiembre, cuando la cuarentena termina totalmente, sin ser regida por excepciones. El incremento de amplitud del ruido sísmico es muy importante, casi regresando a los mismos niveles antes del inicio de la cuarentena, desde el 1 de Septiembre hasta el 1 de Octubre, sobre todo en las estaciones de Quibdó y Villavicencio en las bandas de 110 Hz, (Fig.3b-e) y en Quibdó en la banda de 420 Hz (Fig. 3f).
Asimismo, se nota en las estaciones una variación diurna de amplitud de ruido, sin importar la banda de frecuencia, tanto antes como después de la cuarentena (Fig. 3). Se nota que la amplitud del ruido disminuye cada fin de semana (curva roja o azul); siendo más notable en los resultados de la estación de Medellín. En particular, en la estación de Medellín, es muy notorio que el mínimo nivel de amplitud de 0.5 nm disminuyó a 0.2 nm, manteniéndose así hasta principios de Septiembre. A fin de Abril y mediados de Mayo, en la estación de Villavicencio se nota una disminución importante en la amplitud, que probablemente sea por problemas instrumentales, ya que esta amplitud promedio es retomada al mismo nivel había antes de fin de Abril.
Figura 3. Ruido sísmico en diferentes estaciones sísmicas ubicadas en Villavicencio (a), (d) Quibdó y (g) Medellín, en las bandas de frecuencia de 1-10 Hz (b-e-h), y de 4-20 Hz (c-f-i)
3. Conclusiones
Las amplitudes del ruido sísmico en las 3 estaciones estudiadas bajaron notablemente a partir del inicio de la cuarentena obligatoria y durante un periodo muy corto (Abril a Mayo). Esta caída del ruido sísmico corresponde a una disminución importante de las actividades humanas que se acompañan de una producción de ruido sísmico antropogénico tal como el tráfico de carros. A pesar de esta disminución, no tuvimos la oportunidad de comprobar que una señal sísmica proveniente de terremoto fuera mejor identificada, ya que no hubo sismos importantes registrados por las estaciones sismológicas. Sin embargo, creemos que esta disminución del ruido de fondo puede facilitar el estudio de señales sísmicas pequeñas asociadas con el cambio de la estructura del suelo que podría existir antes de la ocurrencia de sismos tectónicos y volcánicos. De las 3 estaciones estudiadas, aquella ubicada en Medellín, es la que menos pulsos y variaciones tiene, probablemente por el tipo de instrumento. Este estudio representa también una ilustración del uso de los datos sismológicos para seguir las actividades humanas y los impactos de las medidas oficiales sobre el comportamiento de la población. Se aconseja hacer un estudio más detallado del ruido en el futuro, considerando estaciones ubicadas dentro del casco urbano y con las mismas especificaciones instrumentales, con el fin de hacer un estudio que sea más claro a nivel de comparación de ruidos, de población flotante y asentada.
Agradecimientos
Agradecemos al Servicio Geológico Colombiano, por los datos de las estaciones qubc (Quibdó) y vil (Villavicencio) a partir del servicio de descarga de formas de onda:
http://sismo.sgc.gov.co:8080/fdsnws/dataselect/1/builder (fecha de acceso 2020-10-03) Al Sistema de Alerta Temprana de Medellín y el Valle de Aburrá, en especial a Gustavo Posada, por los datos de la estación am.R88F4 (Raspberry Shake Citizen mediante el servicio fdsn (http://www.fdsn.org/webservices/) (fecha de acceso 2020-10-03). Agradecemos a Thomas Lecocq por compartir su código usado en esta nota (Sitio de descarga https://github.com/ThomasLecocq/SeismoRMS).
Referencias:
Bonnefoy-Claudet, S., Cotton, F., & Bard, P. Y. (2006). The nature of noise wavefield and its applications for site effects studies: A literature review. Earth-Science Reviews, 79(3-4), 205-227.
Cessaro, R. K. (1994). Sources of primary and secondary microseisms. Bulletin of the Seismological Society of America, 84(1), 142-148.
Dias, F. L., Assumpção, M., Peixoto, P. S., Bianchi, M. B., Collaço, B., & Calhau, J. (2020). Using seismic noise levels to monitor social isolation: An example from Rio de Janeiro, Brazil. Geophysical Research Letters, 47, e2020GL088748.
Goldberg, D. L., Anenberg, S. C., Griffin, D., McLinden, C. A., Lu, Z., & Streets, D. G. (2020). Disentangling the impact of the covid‐19 lockdowns on urban NO2 from natural variability. Geophysical Research Letters, 47, e2020GL089269.
Larose, E., Carrière, S., Voisin, C., Bottelin, P., Baillet, L., Guéguen, P., Walter, F., Jongmans, D., Guillier, B., Garambois, S., Gimbert, F., & Massey, C. (2015). Environmental seismology: What can we learn on earth surface processes with ambient noise? Journal of Applied Geophysics, 116, 62-74, ISSN 0926-9851, https://doi.org/10.1016/j.jappgeo.2015.02.001.
Lecocq, T., Hicks, S. P., Van Noten, K., van Wijk, K., Koelemeijer, P., De Plaen, R. S., ... & Arroyo-Solórzano, M. (2020). Global quieting of high-frequency seismic noise due to covid-19 pandemic lockdown measures. Science, 369(6509), 1338-1343.
Lindsey, N. J., Yuan, S., Lellouch, A., Gualtieri, L., Lecocq, T., & Biondi, B. (2020). City‐scale dark fiber DAS measurements of infrastructure use during the covid‐19 pandemic. Geophysical Research Letters, 47, e2020GL089931.
McNamara, D., & Buland, R. (2004). Ambient Noise Levels in the Continental United States. Bulletin of the Seismological Society of America, 94, 1517-1527. 10.1785/012003001.
Poli, P., Boaga, J., Molinari, I., Cascone, V., & Boschi, L. (2020). The 2020 coronavirus lockdown and seismic monitoring of anthropic activities in Northern Italy. Scientific Reports, 10(1), 1-8.
Shapiro, N. M., & Campillo, M. (2004). Emergence of broadband Rayleigh waves from correlations of the ambient seismic noise, Geophysical Research Letters, 31, L07614.
Yabe, S., Imanishi, K., & Nishida, K. (En revision). Two-Step Seismic Noise Reduction Saused by covid-19 Induced Reduction in Social Activity in Metropolitan Tokyo, Japan. Earth, Planets and Space, https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-48413/v2.
