Przewidzieć trzęsienie ziemi z kosmosu?

Na wiele dni przed silnymi trzęsieniami ziemi, a także dużymi erupcjami wulkanów, w ziemskiej atmosferze zachodzą rozmaite zjawiska zapowiadające nadejście żywiołu. Tak twierdzi Michel Parrot i inni francuscy badacze, którzy obserwowali je dzięki sondzie Demeter. Jak to możliwe?

- To wciąż hipoteza, która jest przyjmowana ze sporym sceptycyzmem. Wielu badaczy odrzuca pogląd, że silne trzęsienia ziemi mogą być poprzedzone zaburzeniami w jonosferze pojawiającymi się z wyprzedzeniem kilku dni. Ktoś powiedział, że środowisko naukowe jest w tej sprawie podzielone na wierzących i niewierzących.

Pan należy do wierzących?

- Na początku byłem sceptyczny. Współpracowałem z Francuzami przy przygotowywaniu misji Demeter, a w naszym Centrum Badań Kosmicznych powstał moduł zasilania aparatury, który zresztą sprawdził się doskonale i zostanie wykorzystany na następnej francuskiej sondzie badawczej. Demeter miała przede wszystkim obserwować zaburzenia w jonosferze poprzedzające trzęsienia ziemi. Ja co do tego miałem poważne wątpliwości. Zadawałem sobie pytanie, na które nie znajdowałem odpowiedzi: w jaki sposób coś, co dzieje się w głębi Ziemi, oddziałuje z jonosferą na wysokości setek kilometrów. I to zanim dojdzie do wstrząsu.

Demeter wysłano, aby poszukała dowodów na istnienie takiego związku?

- Taki był jej główny cel, choć liczyłem na to, że przy okazji można będzie zbadać, w jaki sposób jonosfera oddziałuje z wyżej leżącą magnetosferą. To mnie bardziej ciekawiło. Najciekawsze pod tym względem są obszary polarne. Niestety, okazało się, że sonda nie będzie pracowała w wysokich szerokościach geograficznych. Wtedy zainteresowałem się bliżej zaburzeniami elektromagnetycznymi w jonosferze rejestrowanymi przez sondę nad strefami trzęsień ziemi. Zacząłem analizować dane. Przebadałem kilkadziesiąt trzęsień ziemi. Demeter zebrała gigantyczną ilość informacji. Wystrzelono ją w 2004 roku i miała pracować dwa lata, a zamilkła dopiero w grudniu zeszłego roku, czyli po sześciu.

Kto pierwszy zauważył, że zjawiska atmosferyczne mogą zapowiadać trzęsienie?

- Idea ma już ponad 100 lat. Pod koniec XIX wieku w Japonii prowadził badania słynny brytyjski geolog John Milne, konstruktor sejsmografu. On pierwszy zwrócił uwagę na zjawiska elektryczne zachodzące w atmosferze przed silnymi wstrząsami. Później podobne efekty obserwowano w innych obserwatoriach geofizycznych. Wszystko to były obserwacje naziemne i dotyczyły najniższych warstw atmosfery. Natomiast w 1964 roku doszło do potężnego wstrząsu sejsmicznego na Alasce i w tym czasie satelita badający jonosferę po raz pierwszy zarejestrował zaburzenia gęstości elektronów, gdy przelatywał w pobliżu epicentrum. To sugerowało, że również jonosfera może być czuła na impulsy wysyłane przez ziemskie skały. Rosjanie zajmowali się zjawiskiem przy okazji swoich badań jonosfery. Pierwszego satelitę przeznaczonego wyłącznie do tego celu zbudowali studenci amerykańscy, ale on nie zadziałał. A potem na orbitę wyniesiono Demeter.

Czy są jakieś teorie próbujące wyjaśnić, jak litosfera może tak silnie pobudzać atmosferę, a nawet bliską przestrzeń kosmiczną?

- Nawet kilka. Jedna z nich mówi, że w pobliżu ogniska przyszłego trzęsienia ziemi na skutek silnych naprężeń i odkształceń skał powstają pola elektromagnetyczne. Odpowiada za to doskonale nam znany, odkryty jeszcze w XIX wieku, efekt piezoelektryczności - wykorzystujemy go w zegarkach kwarcowych czy do rejestracji i wytwarzania dźwięków, np. dawniej w gramofonach. To koncepcja amerykańskiego badacza Friedmanna Freunda z NASA. Prowadził on eksperymenty w laboratorium, podczas których ściskano kawałki skał. Przy dużych ciśnieniach pojawiała się emisja fal elektromagnetycznych o różnych częstotliwościach, zależnych od typu skały. Chciałbym we współpracy z Parrotem i Freundem przeprowadzić podobne badania w Instytucie Fizyki Politechniki Warszawskiej, przy udziale naukowców z Instytutu Geofizyki PAN. W ostatnim konkursie złożyliśmy wniosek o grant, ale nie uzyskał on akceptacji, będziemy ponownie składali taki wniosek.

I te właśnie fale miałyby wędrować ku powierzchni skał, a następnie pobudzać atmosferę?

- To słaby punkt tej hipotezy. Epicentra silnych wstrząsów znajdują się na głębokości kilkudziesięciu kilometrów. Płynące stamtąd impulsy elektromagnetyczne powinny zostać wytłumione przez skały. Inna hipoteza, mnie najbliższa, zakłada, że w ogniskach trzęsień rodzą się fale zwane grawitacyjno-akustycznymi. Ich nazwa może być myląca, bo, rzecz jasna, nie mają one nic wspólnego ze zmianami ziemskiego przyciągania. Są to zwyczajne fale akustyczne, tyle że o bardzo małych częstotliwościach mierzonych w milihercach. Z tego powodu pole grawitacyjne Ziemi ma wpływ na ich rozprzestrzenianie. Wiemy, że takie fale powstają w strefie zórz polarnych. W takich miejscach płynie z magnetosfery olbrzymia ilość energii, która deformuje jonosferę. Fale grawitacyjno-akustyczne rozprowadzają te zaburzenia po całym globie. Podobne fale powstają także przy powierzchni Ziemi, na przykład podczas startu dużego samolotu lub rakiety oraz podczas silnych eksplozji.

I mogą one przenikać przez grubą warstwę skał skorupy ziemskiej?

- Tak, są zjawiskiem czysto mechanicznym. Mogą zatem, w przeciwieństwie do fal elektromagnetycznych, pokonać skały, przeniknąć do atmosfery i dotrzeć aż do jonosfery. Warstwa ta jest niesamowicie czuła na wszelkie bodźce. Przychodząca do niej fala zaburza pole elektromagnetyczne. Zjawisko takie, zwane niestabilnością plazmową, może zarejestrować satelita.

Mamy zatem już dwie hipotezy: elektromagnetyczną i akustyczną.

- Jest i trzecia - fizyko-chemiczna. Pracują nad nią Siergiej Puliniec i Dimitar Ouzounow. Pierwszy jest Rosjaninem, który przez wiele lat pracował w Universidad Nacional Autónoma de México, drugi - Bułgarem zatrudnionym w NASA. Ich zdaniem przed silnymi trzęsieniami rośnie emisja radonu - pierwiastka promieniotwórczego występującego dość powszechnie, choć w niewielkich ilościach, w skorupie ziemskiej. Radon miałby się wydzielać z mikropęknięć, których powstanie poprzedza właściwy wstrząs. Zjawisko takie obserwowano przed tragicznym trzęsieniem w Kobe w 1995 roku, a także przed wstrząsem we włoskiej L'Aquili w roku 2009.

Od emisji radonu w skałach do zaburzeń w jonosferze droga wydaje się daleka.

- Według tej hipotezy radon jonizuje atmosferę, inicjując powstawanie dodatkowych jąder kondensacji, wokół których skupia się para wodna. Gdy zmienia ona stan skupienia, powietrze wokół zostaje ogrzane. Efekt obserwuje się na wysokości od kilku do kilkunastu kilometrów. Skok temperatur, nawet o kilka stopni, zaburza atmosferę. Zaburzenie to dociera do jonosfery, zapewne pod postacią wtórnych fal grawitacyjno-akustycznych.

Czy znajdujący się w pobliżu satelita może zarejestrować taką anomalię termiczną?

- Tak. Prawie trzy lata temu, 12 maja 2008 roku, w chińskiej prowincji Syczuan nastąpił silny wstrząs o magnitudzie 7,8. Skutki były tragiczne. Zginęło kilkadziesiąt tysięcy ludzi. Analizowaliśmy zapisy sondy Demeter z tego okresu. Na sześć dni przed wstrząsem zarejestrowała nad Syczuanem zaburzenia w jonosferze. Nie pochodziły z góry, czyli z magnetosfery, która w tym czasie była bardzo spokojna. Słońce, zaburzające ziemskie pole magnetyczne, nie przejawiało zwiększonej aktywności. W tym samym czasie, gdy Demeter odkryła zaburzenia w jonosferze, w pobliżu przeleciał amerykański satelita meteorologiczny NOAA. Wykrył on anomalię termiczną. Amerykanie poinformowali nawet o tym Chińczyków, ale zostało to zignorowane.

Może przekonałyby ich obserwacje z Demeter?

- To była tylko sonda badawcza. Wysłano ją, aby zebrała dane do późniejszych studiów - takich, jakie teraz prowadzimy. Nie było sztabu ludzi i potężnych komputerów, które na bieżąco analizowałyby i informowały, co się dzieje w jonosferze. Coś takiego będzie możliwe dopiero, gdy dowiedziemy, że trzęsienie ziemi można przewidzieć z wyprzedzeniem kilku dni na podstawie zdarzeń zachodzących w atmosferze. Ale do tego jeszcze bardzo daleko. Najpierw musimy wyjaśnić zjawisko. Dlatego trudno się dziwić Chińczykom, że nie zarządzili ewakuacji setek tysięcy ludzi na podstawie pojedynczej obserwacji z jednego satelity.

Czy zaburzenie w jonosferze nad Syczuanem było silne?

- Tak. Cząstki mocno drgały - ich gęstość to rosła, to malała. Towarzyszyło temu zakłócenie pola elektrycznego w całym mierzonym przez sondę zakresie częstotliwości, czyli od kilku do tysiąca herców. Takie zdarzenia nazywamy turbulencją jonosferyczną. Wystąpiła ona również przed zeszłorocznym trzęsieniem w Haiti. Co ciekawe, w obu przypadkach najsilniejsze zaburzenia występowały w paśmie 100-200 Hz. Mówiłem o eksperymentach ze ściskaniem skał. Otóż okazuje się, że rejestrowane w laboratorium emisje fal elektromagnetycznych zwykle miały podobną częstotliwość. Intrygujące.

A jak było w L'Aquili dwa lata temu?

- Wstrząs miał miejsce 6 kwietnia 2009 roku. Tydzień wcześniej, 29 marca, Demeter przeleciała w odległości 230 km od miejsca, gdzie potem poruszyły się skały. Mówię oczywiście o odległości poziomej, bo sama sonda szybowała na wysokości 650 km, a epicentrum wstrząsu znajdowało się 10 km pod powierzchnią. Tego dnia aparatura satelitarna zarejestrowała zaburzenia elektromagnetyczne. Efekt ten był znacznie silniejszy pięć oraz dwa dni przed wstrząsem. 2 kwietnia sonda przeleciała w odległości 100 km od epicentrum, odnotowując w jonosferze potężną turbulencję. Przyczyną nie była aktywność Słońca - w magnetosferze panował spokój.

A co mówią niewierzący?

- Uważają, że jonosfera jest bardzo wrażliwa i łatwo ją zaburzyć. Przyczyn może być wiele. Ich zdaniem nie ma żadnego związku pomiędzy trzęsieniami ziemi a zjawiskami atmosferycznymi. Jednak statystycznie jedno z drugim się koreluje. Także gdy analizuje się poszczególne przypadki, widać wyraźną zbieżność. Zaburzenie zawsze pojawiało się blisko ogniska wstrząsu. I zawsze na kilka dni przed kataklizmem. We wszystkich analizowanych przypadkach magnetosfera była spokojna, zatem to na pewno nie ona wprawiała w drżenie jonosferę.

Czy skala takich zaburzeń może być równie duża, jak tych, które wywołuje Słońce?

- Oczywiście. Rozmiary takich zjawisk określa się dwoma parametrami: zakresem częstotliwości drgań wzbudzonych przez zaburzenie oraz amplitudą tych drgań. Wartości jednego i drugiego parametru były bardzo wysokie przed niektórymi trzęsieniami.

Kolejna misja francuska, w której przygotowaniu uczestniczy Centrum Badań Kosmicznych PAN, ma podobny cel?

- Nie, misja Demeter była jednorazowym eksperymentem naukowym. Francuzi nie planują jego powtórki. Następna sonda z tej serii nosząca nazwę Taranis będzie badała, również szalenie ciekawe, zjawiska elektryczne zachodzące w atmosferze, odkryte dopiero w ostatnich dekadach. Mam na myśli efekty znane pod angielskimi terminami red sprites, blue jets czy elves. Natomiast następcę Demeter chcą wysłać Chińczycy. Na ich sondzie znajdzie się także francuska aparatura.

Widziałem niedawno artykuł, który opisywał zaburzenia w jonosferze wywołane przez tsunami powstałe po wielkim trzęsieniu w Chile w lutym zeszłego roku. Źródłem danych były jednak satelity systemu GPS.

- To kolejna metoda badań zjawisk zachodzących w jonosferze. Polega na analizie rozchodzenia się sygnałów GPS. Jonosfera modyfikuje te sygnały, a rodzaj i skala tej modyfikacji zależą od jej aktualnego stanu. Metodę rozwijają Chińczycy, ale takie badania prowadzi się również we Francji i w wielu innych krajach, także w Polsce. Zaletą GPS jest to, że system już istnieje. Mamy konstelację satelitów, które pracują non stop i swoim zasięgiem obejmują cały glob. Na razie jednak, tak jak w przypadku Demeter, takie analizy wykonuje się po wystąpieniu kataklizmu. To faza poszukiwań. Trwa sprawdzanie, czy w ten sposób można w ogóle pozyskać jakieś istotne informacje o stanie jonosfery w okresie poprzedzającym trzęsienie. Zresztą GPS to nie jedyne źródło fal elektromagnetycznych, które można analizować.

Co pan ma na myśli?

- Choćby rozlokowane na kuli ziemskiej stacje, które wysyłają przez całą dobę sygnały do nawigacji. Pracują one w zakresie częstotliwości od kilku do kilkudziesięciu kiloherców. Emitują zatem fale bardzo długie, rozchodzące się na duże odległości i przenikające przez wierzchnią warstwę wody. Dlatego korzystają z nich między innymi okręty podwodne. Te sygnały mogą być również odbierane przez satelity i modyfikowane przez jonosferę. W ich analizie specjalizują się rosyjscy i japońscy badacze - liderami są Oleg Mołczanow i Masashi Hayakawa, a także Włosi, na przykład Pierre Francesco Biaggi. Wykryli oni zakłócenia wspomnianych fal tuż przed silnymi trzęsieniami ziemi. Myśmy też zrobili podobne badania na podstawie pomiarów Demeter, dochodząc do podobnych wniosków.

Czy grupa wierzących się rozrasta?

- Dzięki Demeter szybko przybywa badań i publikacji. Temat jest żywo dyskutowany na wszystkich najważniejszych konferencjach. W ramach Międzynarodowej Unii Geodezji i Geofizyki działa od kilku lat grupa robocza EMSEV zajmująca się elektromagnetycznymi badaniami trzęsień ziemi i erupcji wulkanicznych, do której należę. W zeszłym roku powiększyła się o kilkudziesięciu badaczy.

Są w niej biofizycy badający reakcje zwierząt na zaburzenia pola elektromagnetycznego?

- Nie, choć rzeczywiście ilość obserwacji wskazujących na to, że niektóre zwierzęta mogą w pewnym sensie wyczuwać trzęsienie ziemi, jest olbrzymia. Bez wątpienia żywe organizmy reagują na zakłócenia otaczającego pola elektromagnetycznego, ale czy i w jakim sposób rejestrują one ostrzeżenia wysyłane przez skały - nie wiem. To nie moja specjalność.

Kiedy satelity będą ostrzegały ludzi przed nadchodzącym wstrząsem?

- Na razie to fantazjowanie. Po sześciu latach pracy sondy Demeter mogę powiedzieć jedno: silne trzęsienia ziemi są poprzedzane przez zaburzenia w jonosferze. Ale nie potrafimy wytłumaczyć tych obserwacji. Gdyby się to udało, oczywiście można sobie wyobrazić armadę satelitów poruszających się na niskich orbitach biegunowych, które na bieżąco monitorują zarówno anomalie termiczne w pobliżu Ziemi, jak i zaburzenia jonosferyczne. A gdy dostrzegają coś podejrzanego, ostrzegają.

Notował Andrzej Hołdys

Tytuł pochodzi od redakcji INTERIA.PL

Dr hab. Jan Błęcki, profesor nadzwyczajny w Centrum Badań Kosmicznych PAN. Zainteresowania badawcze: fizyka plazmy kosmicznej, fizyka magnetosfery, fale plazmowe w przestrzeni kosmicznej. Uczestniczył w wielu międzynarodowych projektach satelitarnych: Interball 1, Magion 4, Fobos, Mars-96, Cluster i Demeter. Obecnie współpracuje przy francuskim projekcie Taranis. Dwa ostatnie - Demeter i Taranis - badają procesy o fundamentalnym znaczeniu dla zrozumienia zmian w atmosferze i elektromagnetycznym otoczeniu Ziemi. Autor i współautor 120 prac naukowych i 240 wystąpień na międzynarodowych konferencjach w tym ponad 40 referatów zaproszonych. Autor wielu prac popularnonaukowych na temat przestrzeni kosmicznej oraz współautor działu o badaniach kosmicznych w "Encyklopedii fizyki" WNT. Prowadzi wykłady na Politechnice Warszawskiej i Collegium Varsoviense oraz na studium doktoranckim w Centrum Badań Kosmicznych PAN. Przewodniczy Komisji Fizyki Przestrzeni Kosmicznej w Komitecie Badań Kosmicznych i Satelitarnych przy Prezydium PAN.