Вокруг Света - Журнал «Вокруг Света» №06 за 2008 год

Чтобы объяснить широкое распространение степенных распределений, американец Курт Визенфельд (Kurt Wiesenfeld), датчанин Пер Бак (Per Bak) и китаец Чао Танг (Chao Tang) выдвинули в 1987 году весьма плодотворную идею развития самоорганизованной критичности, или, коротко, СОК-гипотезу. Она утверждает, что сложные динамические системы, в частности земная кора, самопроизвольно эволюционируют в направлении критического состояния с сильным взаимодействием соседних элементов.

Сейсмостойкие здания могут даже падать, не разрушаясь. Тайпей, 1999 год. Фото GLENN SMITH/SYGMA/CORBIS/RPG

В таком состоянии в системе могут развиваться события самого разного масштаба подобно тому, как в большой толпе раздраженных людей периодически возникают то мелкие, то крупные стычки, а иногда, казалось бы, без видимой причины, вся толпа может прийти в движение. Каждое отдельное такое движение непредсказуемо, но статистически можно определить их вероятность. Модель СОК позволила объяснить, почему для самых разнообразных природных систем типично возникновение степенных законов распределения. Стало естественным объяснять такие распределения активным динамическим характером порождающей его системы.

СОК-гипотеза давала основание рассматривать литосферу Земли (земную кору и верхнюю часть мантии) как среду, постоянно находящуюся в неустойчивом состоянии. Но отсюда следовало, что реализация в данный момент того или иного землетрясения — исключительно дело случая и принципиально непредсказуема. Случайный взмах крыльев «бабочки Брэдбери» может привести в действие спусковой механизм, вызывающий катастрофические изменения. Если все так, то проблема предсказания землетрясений снимается, как принципиально неразрешимая, а то и вовсе «ненаучная», вроде попыток изобрести вечный двигатель. Говорить о предсказании землетрясений в части международного научного сообщества стало считаться дурным тоном, и даже само слово «предсказание» было изгнано из научной литературы. Если уж приходилось касаться этой щекотливой темы, то пользовались менее обязывающим словом «прогноз». Мода в науке не менее требовательна, чем в одежде, и в 1990-х годах в США и Японии исследовательский проект, ставящий целью поиск методов предсказания землетрясений, имел весьма мало шансов получить поддержку. В 1994 году конгресс США даже принял особое решение о прекращении целевого субсидирования программ прогноза землетрясений и переводе усилий на задачи сейсмостойкого строительства.

В самом деле если прогноз невозможен, то следует заняться другими вопросами, например развитием программ быстрого оповещения. Своевременная информация о приближающихся волнах цунами уже спасла тысячи жизней. Если бы в Индонезии , на Цейлоне и в Индии существовали такие системы, число жертв гигантского Суматранского землетрясения 2004 года было бы намного меньше. Разрабатываются и еще более быстрые системы оповещения, нацеленные, например, на остановку скоростных поездов и опасных производств за то небольшое время, пока сейсмическая волна со скоростью 6—8 км/с распространяется по земной коре от эпицентра землетрясения до потенциально опасного объекта.

Приметы и предвестники

Вечером 11 ноября 1855 года в столице Японии Эдо (современный Токио) горизонт был подернут дымкой, от земли поднимался странный ветерок и туман, называемый в Японии «чики», но звезды горели необычайно ярко. И старик сторож сказал князю, что такая же погода была в Етиго и Синсю, когда он чудом пережил два сильных землетрясения. Над ним посмеялись, но он наварил запас риса, погасил везде огонь и стал ждать. Ночью земля затряслась, дома повалились, но благодаря предусмотрительности сторожа пожара на его дворе не было. Японский геофизик профессор Цуней Рикитаке (Tsuneji Rikitake), автор модели возникновения земного магнитного поля, посвятивший специальное исследование обоснованности народных примет, предсказывающих землетрясения, считает эту историю легендой. И все же старый сторож, возможно, по-своему был прав. Установлено, что при сейсмической активизации из земли может выделяться особенно много радиоактивного газа радона. Испускаемые им заряженные частицы ионизируют молекулы воздуха, порождая центры конденсации влаги и способствуя образованию тумана. Иногда зоны активных геологических разломов трассируются из космоса или с самолета по линейным скоплениям облаков. Предпринимались даже попытки прогноза землетрясений по картам облачности, впрочем без особого успеха. Проявления предвестников землетрясений очень мозаичны, поэтому естественно стремление сейсмологов использовать характеристики, осредняющие их проявление на большой площади. Такой характеристикой могут быть параметры ионосферы (особенно нижних ее слоев, более подверженных воздействию с поверхности Земли). Неоднократно фиксировалось аномальное поведение ионосферы в районах сильных землетрясений. Предложен ряд моделей, связывающих развитие аномалий в ионосфере с выбросами радона, изменением напряженности электрического поля в атмосфере, возбуждением ионосферы низкочастотными упругими колебаниями, возникающими при подготовке землетрясений. Показано, что средние статистические характеристики ионосферы изменяются во время подготовки и реализации землетрясений. Однако эти изменения малы и выявляются только статистически для большого числа землетрясений, а для отдельных событий незаметны на фоне шума.

Скепсис идет на убыль

Вывод о принципиальной непредсказуемости землетрясений встретил не только поддержку, но и естественный— почти на подсознательном уровне — протест. Разве такой масштабный процесс, когда целые хребты смещаются на десятки метров, может запускаться совершенно спонтанно, без всякой подготовки? А если имеет место подготовка, значит, ее можно наблюдать. Естественно, что работы в области прогноза землетрясений не прекратились, и вскоре стало ясно, что тезис об их принципиальной непредсказуемости не отвечает реальной ситуации или, по меньшей мере, требует существенных уточнений. В самом деле ведь на Земле существуют не только сейсмоактивные, но и асейсмичные районы, где землетрясений практически не бывает. Вряд ли литосферу и этих областей также можно описывать как непрерывно находящуюся в критическом состоянии. А значит, бывают разные степени критичности, и соответственно можно оценивать вероятность возникновения сильного землетрясения. Если такая вероятность изменяется в сотни и тысячи раз, то это уже отнюдь не бесполезная информация.

Из модели сильного землетрясения как критического процесса следовали определенные выводы о характере его возможных предвестников. Например, естественно предположить, что сейсмический режим перед сильным землетрясением становится более критическим, нежели чем в спокойное время. В процессе развития критичности резко увеличивается чувствительность среды к внешним воздействиям. И действительно, сейсмологи не раз замечали, что перед сильными землетрясениями литосфера сильнее откликается на прохождение приливных волн или циклонов. Причем эти слабые по геологическим меркам воздействия могут играть роль спускового крючка. Например, крупные землетрясения чаще случаются вблизи полнолуния и новолуния, когда приливы наиболее высоки. Один из характерных признаков роста критичности — аномально высокая изменчивость в интенсивности сейсмического режима, то есть наличие отчетливых периодов активизации и затишья. На повышенную критичность указывает также рост числа разнесенных пространственно, но близких по времени сейсмических событий, а также увеличение доли относительно сильных толчков.