Поиск землетрясений в ионосфере

В 2010 году в 40 минут третьего часа дня 4 апреля — в Пасхальное воскресенье — северо-западная Мексика начала содрогаться. Землетрясение магнитудой 7,2 сотрясало регион Баха Калифорния, что в конечном итоге привело к гибели трех человек и ранению более 100. Землетрясение вызвало масштабные разрушения в приграничных городах Мексикали, Мексика, и Калексико, Калифорния. В Сан-Диего, расположенном более чем в 160 километрах к западу, от землетрясения покачнулись небоскребы.

Землетрясение послало волны через землю вокруг себя, но в атмосфере, высоко в атмосфере, совершенно другой вид возмущений мог бы предупредить о приближении землетрясения, если бы кто-то смог его увидеть. Тонкие колебания в ионосфере Земли, области заряженных частиц высоко над поверхностью, предшествовали землетрясению в Бахе, утверждают авторы новой работы, опубликованной в журнале Advances in Space Research. Возможно, разлом, вызвавший землетрясение, каким-то образом телеграфировал о своем предстоящем разрыве, посылая поток электрически заряженных частиц, которые резонировали в ионосфере.

Ионосфера, которая начинается примерно в 48 километрах над поверхностью Земли и простирается примерно до 965 километров, является местом, где входящая энергия от Солнца ионизирует молекулы в атмосфере, отбивая электроны. Обилие заряженных частиц означает, что ионосфера реагирует на электрические и магнитные поля, чего обычно не делают другие области атмосферы.

Используя данные обсерватории Haystack Массачусетского технологического института о плотности электронов в ионосфере, группа китайских и американских исследователей проанализировала атмосферу над регионом Баха Калифорния в течение 72 дней до и после землетрясения. После контроля других факторов, которые могли повлиять на ионосферу, они заявили, что 25 марта, за 10 дней до землетрясения, они увидели явную аномалию — всплеск количества электронов в ионосфере. Всплеск электронов был расположен над эпицентром землетрясения, и он не был похож ни на что другое, что они видели в данных.

Мы можем представить это как рябь на озере, — говорит Чэнь Чжоу, исследователь из Уханьского университета в Китае и соавтор статьи. Электронный сигнал выглядел как кратковременное, но показательное перераспределение частиц от их обычных движений и положений, которое исследователи смогли уловить, когда оно проходило мимо.

Чжоу и его коллеги заявили, что их работа может подтвердить теорию о том, что разломы высвобождают электрическую энергию в дни, предшествующие землетрясению. Как именно это происходит, пока неясно — некоторые ученые считают, что это результат того, что газ радон, выделяемый разломом, ионизирует молекулы воздуха, в то время как другие считают, что горные породы, находящиеся под напряжением, могут высвобождать всплески электронов.

Колебания в атмосфере

Ученые уже несколько десятилетий пытаются связать нарушения в ионосфере с землетрясениями. В один прекрасный день этот метод может даже дать ученым возможность надежно предсказывать землетрясения за несколько дней до их возникновения, что сегодня невозможно. В ряде работ утверждается, что обнаружена связь между разрывными нарушениями и ионосферой, хотя теория также вызывает справедливую критику.

Большая часть критики связана с тем, что ионосфера, с точки зрения статистики, является шумным местом. Все — от солнечной радиации до воздушных потоков и смены времен года — накладывает отпечаток на ионосферу, и в этом шуме очень трудно найти какую-либо взаимосвязь между событиями у поверхности Земли и возмущениями в ионосфере.

«Самая большая проблема заключается в том, что [ионосфера] настолько изменчива, что иногда сигнал из-за связи с литосферой может быть очень крошечным», — говорит Анджело Де Сантис, геофизик и директор по исследованиям Национального института геофизики и вулканологии в Италии. «Поэтому необходимо провести анализ с помощью статистических инструментов, чтобы убедиться, что найденная корреляция надежна».

Но выбор того, какие статистические инструменты использовать, может иметь большое значение. В связи с этим Де Сантис сказал, что он не совсем убежден в достоверности статьи о землетрясениях в Бахе. По его словам, выбор авторами уравнений, возможно, не был достаточно тонким, чтобы полностью изолировать аномалии, которые они искали, а выбор среднего значения, а не медианы, для расчета базовой линии, возможно, исказил результаты.

Чжоу хорошо знает о трудностях обработки данных из ионосферы. «Нам нужно быть очень осторожными при обработке данных. Нам нужно разработать очень элегантные алгоритмы для получения очень коротких, но определенных характеристик этих сигналов землетрясений», — сказал он.

Возможно, наши данные и знания еще недостаточно хороши, чтобы точно определить возмущения в ионосфере, связанные только с одним землетрясением. В аналогичном исследовании, опубликованном в 2019 году, Де Сантис и его соавторы изучили более 1300 землетрясений со всего мира. Они связали аналогичные возмущения ионосферы с землетрясениями, но в этой работе использовался более широкий подход, при котором меньше вероятность обмануться ложными сигналами.

Еще один способ сделать поиск землетрясений более точным, говорит Де Сантис, — это использовать более одного типа сигналов. Такие вещи, как колебания в магнитосфере, которая находится над ионосферой, сейсмическая активность и даже температура земли, также могут предвещать землетрясения.

Это признал и Чжоу. «Ионосфера — не единственное средство предсказания», — сказал он. «Нам необходимо использовать все виды данных, все виды мониторинга».