Як землетруси змінюють гравітацію Землі

Протягом століть люди оцінювали відстань до грози за часом між блискавкою і громом. Чим більше проміжок часу між двома сигналами, тим далі від спостерігача знаходиться блискавка. Це відбувається тому, що блискавка поширюється зі швидкістю світла практично без тимчасової затримки, тоді як грім поширюється з набагато повільнішою швидкістю звуку - близько 340 метрів на секунду.

Землетруси також посилають сигнали, які поширюються зі швидкістю світла (300 000 кілометрів на секунду) і можуть бути зареєстровані задовго до відносно повільних сейсмічних хвиль (близько 8 кілометрів на секунду).

Однак сигнали, які поширюються зі швидкістю світла, - це не блискавки, а раптові зміни сили тяжкості, викликані зміщенням внутрішньої маси Землі. Тільки недавно ці так звані сигнали PEGS (prompt elasto-gravity signals, швидкі еласто-гравітаційні сигнали) були виявлені сейсмічними вимірами. За допомогою цих сигналів можна було б виявити землетрус дуже рано, за деякий час до приходу руйнівної катастрофи або хвиль цунамі.

Однак гравітаційний ефект цього явища дуже малий. Це становить менше однієї мільярдної частки земного тяжіння. Отже, сигнали PEGS можуть бути зареєстровані тільки для найсильніших землетрусів.

Крім того, процес їх генерації є складним: вони генеруються не тільки безпосередньо біля джерела землетрусу, але і безперервно, оскільки хвилі землетрусу поширюються через внутрішній простір Землі.

Досі не було прямого і точного методу, що дозволяє надійно моделювати генерацію сигналів PEGS на комп'ютері. І ось тепер алгоритм, запропонований дослідниками з GFZ, вперше може розраховувати сигнали PEGS з високою точністю і без особливих зусиль. Вчені також змогли показати, що сигнали дозволяють зробити висновки про силу, тривалість і механізм дуже сильних землетрусів.

Землетрус різко зрушує скельні плити у внутрішній частині землі і, таким чином, змінює розподіл маси в землі. При сильних землетрусах це зміщення може досягати декількох метрів.

«Оскільки сила тяжкості, яка може бути вимірена локально, залежить від розподілу маси поблизу точки вимірювання, кожен землетрус викликає невелику, але негайну зміну сили тяжкості», - говорить Ронгцзян Ван, науковий координатор нового дослідження.

Однак кожен землетрус також генерує хвилі в самій Землі, які, в свою чергу, змінюють щільність гірських порід і, отже, гравітацію на короткий час - гравітація Землі коливається в деякій мірі синхронно з землетрусом.

Крім того, ця коливальна сила тяжкості створює короткочасний силовий вплив на породу, який, у свою чергу, викликає вторинні сейсмічні хвилі. Деякі з цих вторинних сейсмічних хвиль, викликаних гравітацією, можуть спостерігатися ще до приходу первинних сейсмічних хвиль.

«Ми зіткнулися з проблемою інтеграції цих численних взаємодій, щоб зробити більш точні оцінки і прогнози сили сигналів», - говорить Торстен Дам, керівник відділу фізики землетрусів і вулканів в GFZ. «У Ронгцзян Ван була оригінальна ідея адаптувати алгоритм, який ми розробили раніше, до проблеми PEGS - і ми досягли успіху».

«Ми вперше застосували наш новий алгоритм до землетрусу в Тохоку в Японії в 2011 році, який також став причиною цунамі в Фукусімі», - говорить Себастьян Хейманн, розробник програм і аналітик даних в GFZ. "Там, вимірювання сили сигналу PEGS вже були доступні. Послідовність була ідеальною. Це дало нам впевненість у передбаченні інших землетрусів і потенційної можливості сигналів для нових застосувань ".

У майбутньому, оцінюючи зміни сили тяжкості в багатьох сотнях кілометрів від епіцентру землетрусу біля узбережжя, цей метод може бути використаний, щоб визначити, навіть під час самого землетрусу, чи має місце сильний землетрус, який може викликати цунамі.

«Однак попереду ще довгий шлях», - кажуть вчені. «Сучасні вимірювальні прилади ще недостатньо чутливі, а сигнали перешкод навколишнього середовища занадто великі для прямої інтеграції сигналів PEGS в діючу систему раннього попередження про цунамі».