Сейсмологи: гравитация мгновенно известит о мощном землетрясении

О начале разрушительного землетрясения можно узнать ещё до того, как первые толчки докатятся до сейсмографа. В этом поможет возмущение гравитационного поля Земли, распространяющееся со скоростью света. Команда учёных во главе с Мартином Валле (Martin Vallée) продемонстрировала это на примере знаменитого землетрясения 2011 года, произошедшего в Японии.

Научная статья с результатами исследования опубликована в журнале Science.

Следует сразу же внести ясность. Речь не идёт о гравитационных волнах, за открытие которых в 2017 году дали Нобелевскую премию по физике. Такие волны при землетрясениях, конечно, тоже испускаются (они вообще испускаются всегда, когда масса движется с меняющимся ускорением), но они слишком слабы, чтобы их зарегистрировать. Кроме того, они описываются только общей теорией относительности Эйнштейна (ОТО).

Идея, использованная в работе Валле и коллег, более проста. Её можно понять, пользуясь законом всемирного тяготения, известным каждому школьнику. Во время мощных землетрясений перемещаются большие массы горных пород. Поскольку сила, с которой эти массы притягивают предметы, зависит от расстояния до них, она меняется из-за этого движения. Ну а так как притяжение земного шара складывается из тяготения всех его частей, то и общее гравитационное поле Земли при этом немного изменяется.

Это изменение можно считать мгновенным. Строго говоря, ОТО утверждает, что оно происходит со скоростью света. Но диаметр нашей планеты свет проходит за сотые доли секунды, так что этой задержкой можно пренебречь.

Итак, пусть вдали от сейсмографа происходит мощное землетрясение. Сейсмические волны (колебания земной коры) от него распространяются со скоростью от трёх до десяти километров в секунду. Чтобы достичь прибора, им потребуется ощутимое время.

Но гравитационное поле Земли меняется синхронно с колебаниями земной коры в далёком эпицентре землетрясения. А значит, ускорение свободного падения в точке, где расположен сейсмограф, тоже меняется.

Фото Global Look Press.

Уже это должно отразиться на его показаниях. Но есть и другой эффект: меняющаяся сила тяжести нарушает равновесие в земной коре, что вызывает вторичные сейсмические волны. В том числе и в той точке, где проводятся измерения.

Исследователи решили выяснить, можно ли с помощью этих эффектов зафиксировать факт землетрясения ещё до того, как до прибора докатится сейсмическая волна.

Материалом послужили измерения, выполненные во время землетрясения в Японии 2011 года. Учёные использовали показания всех сейсмографов сети IRIS в радиусе трёх тысяч километров от эпицентра, а также данные сети F-net. Всего набралось 11 приборов.

После начала землетрясения, но до того как приборов достигли сейсмические волны, на всех сейсмографах наблюдался небольшой (1–2 нанометра на квадратную секунду), но чёткий сигнал. Исследователи интерпретировали его как подтверждение своей гипотезы.

Чтобы проверить, действительно ли возмущения в гравитационном поле Земли, вызванные землетрясением, должны давать именно такой сигнал, учёные смоделировали эту ситуацию с помощью компьютерной программы. Они воспроизвели реакцию самого сейсмографа на изменение гравитационного поля, а также возникающие вторичные сейсмические волны и отклик прибора на них. Учёт этих эффектов и позволил рассчитать показания сейсмографа. Оказалось, что для всех 11 приборов они очень близки к тому, что наблюдалось в реальности.

Авторы надеются, что предложенный метод позволит быстро регистрировать начало землетрясения. Это может спасти человеческие жизни. Пока, как сообщается в пресс-релизе исследования, этот метод нельзя использовать для событий магнитудой менее 8–8,5, так как сигнал оказывается ниже уровня шума. Но и этот факт можно использовать во благо.

Дело в том, что традиционными методами не удаётся оценить магнитуду землетрясения в реальном времени достаточно точно. Так, во время катастрофы в Японии первоначальная оценка составила 7,9, через три часа была исправлена на 8,8, а постфактум верной цифрой оказалось 9,1. Новый метод с его чрезвычайной чувствительностью к магнитуде поможет сразу распознать самые мощные землетрясения.

К слову, "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) ранее писали об искусственном интеллекте, прогнозирующем землетрясения, и о "дрожи земли", вызванной плеском озёрных вод. Также мы рассказывали о воздушном шаре, который будет изучать "венеротрясения" и о так называемых волнах тяготения в атмосфере этой планеты.