Как землетрясения изменяют гравитацию Земли

На протяжении веков люди оценивали расстояние до грозы по времени между молнией и громом. Чем больше промежуток времени между двумя сигналами, тем дальше от наблюдателя находится молния. Это происходит потому, что молния распространяется со скоростью света практически без временной задержки, в то время как гром распространяется с гораздо более медленной скоростью звука — около 340 метров в секунду.

Землетрясения также посылают сигналы, которые распространяются со скоростью света (300 000 километров в секунду) и могут быть зарегистрированы задолго до относительно медленных сейсмических волн (около 8 километров в секунду).

Однако сигналы, которые распространяются со скоростью света, — это не молнии, а внезапные изменения силы тяжести, вызванные смещением внутренней массы Земли. Только недавно эти так называемые сигналы PEGS (prompt elasto-gravity signals, быстрые эласто-гравитационные сигналы) были обнаружены сейсмическими измерениями. С помощью этих сигналов можно было бы обнаружить землетрясение очень рано, за некоторое время до прихода разрушительной катастрофы или волн цунами.

Однако гравитационный эффект этого явления очень мал. Это составляет менее одной миллиардной доли земного притяжения. Следовательно, сигналы PEGS могут быть зарегистрированы только для сильнейших землетрясений.

Кроме того, процесс их генерации является сложным: они генерируются не только непосредственно у источника землетрясения, но и непрерывно, поскольку волны землетрясения распространяются через внутреннее пространство Земли.

До сих пор не было прямого и точного метода, позволяющего надежно моделировать генерацию сигналов PEGS на компьютере. И вот теперь алгоритм, предложенный исследователями из GFZ, впервые может рассчитывать сигналы PEGS с высокой точностью и без особых усилий. Ученые также смогли показать, что сигналы позволяют сделать выводы о силе, продолжительности и механизме очень сильных землетрясений.

Землетрясение резко сдвигает скальные плиты во внутренней части земли и, таким образом, меняет распределение массы в земле. При сильных землетрясениях это смещение может достигать нескольких метров.

«Поскольку сила тяжести, которая может быть измерена локально, зависит от распределения массы вблизи точки измерения, каждое землетрясение вызывает небольшое, но немедленное изменение силы тяжести», — говорит Ронгцзян Ван, научный координатор нового исследования.

Однако каждое землетрясение также генерирует волны в самой Земле, которые, в свою очередь, изменяют плотность горных пород и, следовательно, гравитацию на короткое время — гравитация Земли колеблется в некоторой степени синхронно с землетрясением.

Кроме того, эта колебательная сила тяжести создает кратковременное силовое воздействие на породу, которое, в свою очередь, вызывает вторичные сейсмические волны. Некоторые из этих вторичных сейсмических волн, вызванных гравитацией, могут наблюдаться еще до прихода первичных сейсмических волн.

«Мы столкнулись с проблемой интеграции этих многочисленных взаимодействий, чтобы сделать более точные оценки и прогнозы силы сигналов», — говорит Торстен Дам, руководитель отдела физики землетрясений и вулканов в GFZ. «У Ронгцзян Ван была оригинальная идея адаптировать алгоритм, который мы разработали ранее, к проблеме PEGS — и мы добились успеха».

«Мы впервые применили наш новый алгоритм к землетрясению в Тохоку в Японии в 2011 году, которое также стало причиной цунами в Фукусиме», — говорит Себастьян Хейманн, разработчик программ и аналитик данных в GFZ. «Там, измерения силы сигнала PEGS уже были доступны. Последовательность была идеальной. Это дало нам уверенность в предсказании других землетрясений и потенциальной возможности сигналов для новых применений».

В будущем, оценивая изменения силы тяжести во многих сотнях километров от эпицентра землетрясения у побережья, этот метод может быть использован, чтобы определить, даже во время самого землетрясения, имеет ли место сильное землетрясение, которое может вызвать цунами.

«Однако впереди еще долгий путь», — говорят ученые. «Современные измерительные приборы еще недостаточно чувствительны, а сигналы помех окружающей среды слишком велики для прямой интеграции сигналов PEGS в действующую систему раннего предупреждения о цунами».

Shenjian Zhang et al, Prompt elasto-gravity signals (PEGS) and their potential use in modern seismology, Earth and Planetary Science Letters (2020). DOI: 10.1016/j.epsl.2020.116150