Распространение гравитационных волн во время землетрясения в Японии в 2011 году по результатам моделирования
Zhang et al. 2020
Геофизики разработали простой и не требовательный к вычислительным ресурсам программный инструмент, который позволяет идентифицировать гравитационные волны, вызванные землетрясениями. Поскольку гравитационные волны распространяются со скоростью света, новый метод поможет детектировать землетрясения намного раньше, чем к сейсмостанциям придут обычные сейсмические волны, что, например, в случае цунами, может спасти множество жизней. Исследование опубликованов журнале Earth and Planetary Science Letters.
Землетрясения провоцируют быстрое перераспределение масс в недрах Земли и порождают сейсмические волны — продольные волны сжатия (P-волны) и поперечные волны (S-волны), которые распространяются по поверхности и в толще горных пород. Скорость P-волн — от 8 до 13 километров в секунду, в зависимости от свойств среды, а S-волн — примерно два раза меньше. Кроме того, землетрясения порождают и гравитационные возмущения, то есть гравитационные волны. Они двигаются со скоростью света, и, следовательно, могут достигать далеких сейсмостанций намного раньше, чем самые быстрые сейсмические P-волны.
Еще в начале 2000 годов ученые пытались обнаружить эти возмущения, которые должны возникать до прихода P-волн. Они использовали сверхпроводящие гравиметры, способные чувствовать колебания гравитационного поля порядка 10 наногал (1 гал соответствует 0,01 ускорения свободного падения), но сигнал от землетрясений не удавалось вычленить из фоновых шумов и артефактов.
Наконец в 2016 году французский геофизик Жан-Поль Монтанье (Jean-Paul Montagner) и его коллеги смогли вычленить гравитационный сигнал землетрясения. Они анализировали данные, собранные во время мощнейшего землетрясения в Японии в марте 2011 года, магнитуда которого достигала 9,1. Именно это землетрясение вызвало цунами, спровоцировавшее катастрофу на АЭС в Фукусиме. Во время землетрясения в японской обсерватории Камиока работал сверхпроводящий гравиметр, единственный в Японии, который делал измерения с достаточной для анализа частотой — один раз в секунду. Амплитуда составила около 0,15 микрогал, что хорошо согласовывалось с предсказаниями теоретических моделей (0,1 микрогал).
Однако в этом случае речь шла об исключительно мощном землетрясении, попытки зафиксировать сигнал менее сильных землетрясений требует сперва получить предсказание — как именно будет выглядеть искомый гравитационный сигнал. Эта задача может быть очень сложной, поскольку гравитационные волны, распространяясь в толще Земли сами провоцируют вторичные сейсмические волны, порождать дополнительный «шум», который сильно затрудняет моделирование.
Решить эту задачу взялись ученые из германского Центра наук о Земле в Потсдаме и университета Пекина под руководством Себастьяна Хайманна (Sebastian Heimann). Они модифицировали программу QSSP, которая исходно предназначалась для синтеза сейсмограмм для сферически симметричной модели Земли с учетом влияния океанов и атмосферы.
Прежние программные инструменты, которые использовались для моделирования гравитационных волн землетрясений были очень сложны и требуют больших вычислительных мощностей. Новый подход позволил решить задачу более точно, но без привлечения мощных компьютеров. Используя этот новый алгоритм исследователи провели моделирование гравитационных волн от землетрясения 2011 года. Полученные ими данные хорошо согласовались с результатами моделирования других групп, которые использовали значительно более сложные модели и более мощные вычислительные машины.
По словам ученых, разработанный ими метод позволяет значительно упростить идентификацию гравитационных сигналов, но для создания новых систем раннего оповещения о сейсмических толчках необходимо создать новые более чувствительные гравиметры и инфраструктуру.
О том, можно ли прогнозировать землетрясения, читайте в нашем блоге. Для оповещения о землетрясениях сейчас предлагают все большее количество конфигураций различных датчиков, например, на основе акселерометров в смартфонах или оптоволоконных кабелей.
Сергей Кузнецов