Trzęsienie wisi w powietrzu
Sejsmolodzy wiedzą znacznie więcej o tym, co się dzieje podczas trzęsienia ziemi i zaraz po nim, aniżeli o procesach, które poprzedzają gwałtowne przesunięcie się skał wewnątrz skorupy ziemskiej. A przecież byłoby bardzo dziwne, gdyby koncentracja tak potężnych mocy przebiegała zupełnie bezobjawowo. Cała sztuka polega na tym, jak te objawy w porę rozpoznać i gdzie ich szukać. Najlepiej byłoby mieć taką wiedzę z pierwszej ręki, czyli z miejsc, gdzie dojrzewają trzęsienia.
Kłopot polega na tym, że te miejsca znajdują się na głębokości dziesiątek kilometrów. Nie da się tam umieścić instrumentów obserwacyjnych. Niektórzy badacze uważają jednak, że nie jest to konieczne, ponieważ skały przesyłają sygnały o nadciągającym kataklizmie na powierzchnię planety, skąd docierają one aż do wyższych warstw atmosfery, na wysokość ponad 100 km. Cóż to za sygnały?
Cofnijmy się do listopada 2013 r., kiedy to Europejska Agencja Kosmiczna wysłała na orbitę okołoziemską trzy niewielkie sondy Swarm. Dwie z nich ulokowano w odległości 460 km od Ziemi, a jedną – 70 km dalej. Razem miały obserwować ziemskie pole magnetyczne oraz – ten cel misji szczególnie nas interesuje – zjawiska zachodzące w jonosferze. Jest to ta część ziemskiej atmosfery, w której pod wpływem promieniowania kosmicznego i słonecznego atomy utraciły jeden lub kilka elektronów, stając się jonami. Jonosfera zaczyna się na wysokości 50–60 km i sięga do ponad 1000 km. Odgrywa kluczową rolę w rozchodzeniu się fal radiowych. Jest też niezwykle wrażliwa na zakłócenia. Docierające do niej bodźce są tu silnie wzmacniane. Czy źródłem takich bodźców mogą być również oddalone o setki kilometrów skały, zagrzebane głęboko pod powierzchnią skorupy ziemskiej i poddane rosnącej presji sił tektonicznych?
Odpowiedź udzielona ostatnio przez naukowców dzięki satelitom Swarm brzmi: tak, mogą. „W tygodniach poprzedzających wstrząsy sejsmiczne w jonosferze pojawiają się anomalie magnetyczne i elektryczne” – zakończyli badacze swój artykuł, opublikowany pod koniec 2019 r. w czasopiśmie „Nature Scientific Reports”. Wnioski oparli na danych zbieranych przez kosmiczne trio od 1 stycznia 2014 do 31 sierpnia 2018 r., czyli przez cztery lata i osiem miesięcy. Zespołem kierował Angelo de Santis, geofizyk z ośrodka Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia w Rzymie.
Jedno z ustaleń dokonanych przez jego grupę jest szczególnie ciekawe, a wręcz zdumiewające. Otóż badacze uważają, że istnieje związek pomiędzy rozmiarami trzęsienia ziemi a przebiegiem poprzedzających go zaburzeń w jonosferze. Jakby atmosfera była lustrem odbijającym obraz skrytych procesów tektonicznych zachodzących setki kilometrów niżej, we wnętrzu skorupy ziemskiej. Dodajmy, że identycznym wnioskiem zakończyły się tegoroczne badania nad wstrząsem, który 25 lutego 2018 r. nastąpił w Papui-Nowej Gwinei. Tym razem anomalie w jonosferze, polegające na wahaniach zawartości elektronów, pojawiły się na kilka dni przed wstrząsem. Anomalie zarejestrowano jednak nie dzięki satelitom, ale naziemnym stacjom międzynarodowego systemu nawigacji globalnej.
Czy to wszystko oznacza, że już niedługo można będzie ostrzegać przed trzęsieniami ziemi z wyprzedzeniem kilku dni, a nawet miesiąca? I to dzięki obserwacjom tego, co się dzieje nad naszymi głowami, a nie pod ziemią?
Marzenie o prognozie
Sejsmolodzy mówią zwykle, że trzęsienia ziemi są nieprzewidywalne. Sporządzane przez nich przybliżone prognozy obejmują kilka dekad. Na przykład dla Tokio wyliczone przez naukowców ryzyko silnego trzęsienia wynosi 35–40% do 2035 r. Podobne szacunki dotyczą południowej Kalifornii, Teheranu, Stambułu, Islamabadu oraz kilku miast w Chinach i Indiach. Ostatnio do rejonów zagrożonych wielkim kataklizmem zaliczono Kaszmir. Kłopot polega na tym, że żaden sejsmolog nie jest w stanie powiedzieć, czy ziemia w każdym z tych miejsc poruszy się za miesiąc, za rok, czy jutro. A takimi ogólnymi prognozami mało kto się przejmuje.
Ideałem byłoby informowanie o nadchodzącym kataklizmie z wyprzedzeniem kilku dni. Wiadomo – natury nikt do końca nie rozgryzie i stuprocentowej pewności nigdy się nie uzyska, ale już samo wydanie krótkoterminowego ostrzeżenia sejsmologicznego sprawiłoby, że przynajmniej część ludzi przygotowałaby się do uderzenia żywiołu. Niestety, stosowane przez sejsmologów metody badawcze, nawet te najdokładniejsze, polegające na stałym pomiarze naprężeń powstających w uskokach tektonicznych, nie pozwalają na sporządzenie dokładniejszych prognoz.
Tymczasem te przydałyby się jak nigdy wcześniej. Trzęsienia zabijają mnóstwo ludzi. W 2018 r. na indonezyjskiej wyspie Celebes zginęło ok. 5 tys. osób, w 2015 r. w Nepalu – blisko 10 tys. Za niecały rok Japonia będzie obchodzić dziesiątą rocznicę tragicznego tsunami z 11 marca 2011 r., które zabiło ponad 20 tys. ludzi. Rok wcześniej w Haiti żywioł uśmiercił kilkanaście razy więcej ludzi – ok. 320 tys. W maju 2008 r. w chińskiej prowincji Syczuan liczba ofiar sięgnęła 90 tys. W 2005 r. w północnym Pakistanie zginęło 80 tys. Rok wcześniej inne straszliwe tsunami, które przetoczyło się po Oceanie Indyjskim po wstrząsie w pobliżu Indonezji, zabiło 230 tys. W 2003 r. był południowy Iran (30 tys. ofiar), w 2001 r. – indyjska prowincja Gudżarat (20 tys. ofiar), a w 1999 r. – tureckie miasto Izmit koło Stambułu (także ok. 20 tys. zabitych).
Te przerażające dane nie są konsekwencją zwiększonej aktywności sejsmicznej globu, lecz szybko rosnącej liczby ludzi w strefach największego zagrożenia trzęsieniami, a także braku prewencji. Powszechny grzech to wznoszenie nieodpornych na wstrząsy domów. Dlatego eksperci obawiają się, że któregoś dnia kataklizm zabije w ciągu kilku minut milion ludzi. Wystarczy, że będzie odpowiednio silny i uderzy w jedną z wielu zatłoczonych, a zupełnie nieprzygotowanych na taki cios aglomeracji w Azji lub Ameryce Południowej.
Co więc robić? Podczas gdy sejsmolodzy, a w każdym razie większość z nich, bezradnie rozkładają ręce, inni naukowcy szukają mniej konwencjonalnych sposobów przewidywania uderzeń żywiołu. Nietypowe zachowania zwierząt, dziwne efekty świetlne w atmosferze, ulatnianie się gazów szlachetnych ze skał, zaburzenia radiowe, drobne zakłócenia w pracy odbiorników GPS – wszystkie te osobliwości znajdują się w kręgu zainteresowania rosnącej liczby badaczy, takich jak de Santis.
Demeter na niebie
Zanim w 2013 r. na orbitę poleciały satelity Swarm, dekadę wcześniej Francuzi posłali w kosmos niewielki pojazd o nazwie DEMETER. W latach 2004–2010 obserwował on jonosferę, a szczególnie to, jak reaguje ona na wybuchy wulkanów i trzęsienia ziemi. Lider tej misji, Michel Parrot z Laboratoire de Physique et de Chimie de l’Environnement et de l’Espace (LPC2E) w Orleanie, zainteresował się jednak nie tylko tym, co dzieje się podczas kataklizmów, ale i w tygodniach je poprzedzających. Sonda faktycznie zarejestrowała wiele takich efektów. Potężne turbulencje plazmy jonosferycznej odnotowano na kilka dni przed wspomnianym już tragicznym trzęsieniem w chińskiej prowincji Syczuan w maju 2008 r. Podobnie było rok później we włoskiej L’Aquili, a także w Haiti w styczniu 2010 r.
Jonosfera zadrżała również przed potężnym wstrząsem, który 27 lutego 2010 r. nawiedził środkowe Chile. Był tak silny, że przesunął całą Amerykę Środkową i wywołał wtórne wstrząsy na drugim końcu globu. Chińscy badacze, którzy przeanalizowali dane z francuskiej sondy, stwierdzili, że na 10 dni przed chilijskim wstrząsem DEMETER została zbombardowana strumieniem naładowanych elektrycznie cząstek. Pochodziły one z rozciągającej się wyżej magnetosfery. Zdaniem naukowców za to bombardowanie mogły odpowiadać zdarzenia zachodzące w głębi Ziemi. Potrząsnęły tak mocno jonosferą, że ta przeniosła część zaburzeń jeszcze wyżej – do magnetosfery.
Kluczowe pytanie brzmi: jaki to tajemniczy sygnał zostaje wygenerowany we wnętrzu skorupy ziemskiej na wiele dni lub nawet na kilka tygodni przed wstrząsem? I jak ten sygnał dociera do powierzchni skał, a z nich zostaje przekazany wysoko do atmosfery?
Zacznijmy od końca, bo to najłatwiejsza część łamigłówki. To, że jonosfera reaguje na rozmaite zdarzenia zachodzące na powierzchni Ziemi, nie dziwi już specjalnie badaczy. Zarówno zjawiska naturalne – wstrząsy sejsmiczne, tsunami, wybuchy wulkanów – jak i powodowane przez człowieka (eksplozje nuklearne, starty rakiet kosmicznych i temu podobne efekty specjalne) generują drżenia gruntu lub wody. Czuła atmosfera natychmiast na to wszystko reaguje. Pod wpływem energii drżeń pojawiają się w niej fale zwane akustyczno-grawitacyjnymi (po angielsku acustic-gravity waves, nie mylić z gravitational waves, czyli falami grawitacyjnymi przemieszczającymi się we wszechświecie z prędkością światła, a odkrytymi w 2015 r.). Te akustyczne fale atmosferyczne po dotarciu do jonosfery silnie ją zaburzają – jony i elektrony szaleją, ich gęstość i prędkość zmieniają się gwałtownie, a jednym z przejawów tego zaburzenia jonosferycznego może być pojawienie się nad horyzontem delikatnego zjawiska świetlnego zwanego poświatą niebieską. Wiele razy obserwatorzy opowiadali o niebie, które świeciło nad miejscem, gdzie doszło do silnego trzęsienia. Dziś na podstawie danych zbieranych przez systemy nawigacji satelitarnej próbuje się lokalizować epicentrum wstrząsu i sposób przemieszczania się skał pod ziemią. W ostatnich latach uczyniono tak w odniesieniu do wielu trzęsień.
Ropuchy znikają, będzie wstrząs
Powróćmy teraz do głównej zagadki: w jaki sposób skały ukryte kilkadziesiąt kilometrów pod powierzchnią planety mogą zaburzać jonosferę, i to zanim same się poruszą? Ten sekret wciąż czeka na rozwiązanie. Na razie mamy jedynie hipotezy, za to jakże intrygujące!
Według pierwszej na wiele tygodni przed wstrząsem skały zostają już na tyle mocno ściśnięte przez siły tektoniczne, że pojawia się w nich potężny strumień naładowanych elektrycznie cząstek. Wtedy uruchomiona zostaje lawina: strumień cząstek dociera do powierzchni globu, stając się źródłem promieniowania elektromagnetycznego o bardzo niskiej częstotliwości. Jonizuje ono, a pośrednio także podgrzewa dolną część atmosfery. Towarzyszą temu rozmaite efekty świetlne: świecące chmury, kule światła, błyski i wiele innych osobliwych zjawisk. Autorem tej hipotezy jest Friedemann Freund, fizyk pracujący w NASA. Od lat próbuje on wyjaśnić, w jaki sposób w skałach, które są przecież dobrym izolatorem, może pojawić się ładunek elektryczny. Według Freunda część wiązań chemicznych w minerałach krzemianowych, najpopularniejszych w skorupie ziemskiej, ma defekt. Pękają one łatwo pod wpływem dużego nacisku. W pewnym momencie, zwykle na kilka dni przed właściwym tąpnięciem skał, granica wytrzymałości wadliwych wiązań zostaje przekroczona. Rozpadają się, co prowadzi do uwolnienia fali nośników ładunku elektrycznego zwanych dziurami elektronowymi. Skały zmieniają się wtedy w gigantyczne baterie. Naukowiec przeprowadził w laboratorium eksperymenty, podczas których ściskano kawałki różnych skał. Rzeczywiście pojawiał się w nich wtedy ładunek elektryczny, a na powierzchni następowała emisja fal elektromagnetycznych.
Zdaniem Freunda oraz współpracujących z nim brytyjskich i szwajcarskich badaczy taka właśnie skalna bateria zmieniła zachowanie zwierząt przed trzęsieniem ziemi, które 9 kwietnia 2009 r. nawiedziło włoskie miasto L’Aquila w środkowych Apeninach. Kataklizm zniszczył jego średniowieczne centrum, a pod gruzami walących się domów zginęło blisko 300 osób. Dziesiątki tysięcy straciły dach nad głową. Wstrząs miał magnitudę 6,3 i poprzedzony był licznymi mniejszymi drżeniami. W tym czasie 70 km na północ od miasta zoolodzy Rachel Grant i Tim Halliday obserwowali podczas godów ropuchy szare (Bufo bufo). Nagle wszystkie samce zniknęły z jeziora, a dwa dni później wyniosły się też samice. Trzy dni później w L’Aquili zadrżała ziemia. Zwierzęta wróciły dopiero tydzień po kataklizmie. Co je przepłoszyło, skoro w ich otoczeniu na pozór nic się nie zmieniło? Czyżby wyczuły zbliżający się wstrząs? Badacze doszli do tego wniosku, zwracając uwagę, że w tym samym czasie, gdy ropuchy rejterowały, w jonosferze ponad środkowymi Apeninami zarejestrowano potężne zakłócenia elektromagnetyczne.
Jednak co dokładnie zaniepokoiło ropuchy? Freund po roku badań zaproponował wyjaśnienie: zniknęły, ponieważ w ich jeziorze pojawiały duże ilości wolnych rodników wodorotlenowych (·OH) oraz nadtlenku wodoru (H2O2). Są to reaktywne formy tlenu, groźne dla zdrowia, a nawet życia. Zmiany chemiczne zostały zainicjowane przez zjawiska zachodzące w skałach pod jeziorem. Ropuchy ratowały więc w ten sposób życie. Nic nowego – można powiedzieć. Najstarsze opisy węży, gryzoni i nietoperzy wynoszących się z miast, które kilka dni później żywioł obracał w kupę gruzu, pochodzą ze starożytności.
Powstała też druga hipoteza, autorstwa Dimitara Ouzounova, geofizyka z Chapman University pod Los Angeles. Według niego czynnikiem sprawczym jest promieniotwórczy radon, który wydobywa się w dużych ilościach ze szczelin i mikropęknięć powstających w skałach przed głównym trzęsieniem. Gaz przenika do atmosfery, jonizuje ją i podgrzewa, co prowadzi do zaburzeń w coraz wyższych warstwach. W 2011 r. Ouzounov opisał zjawiska poprzedzające tragiczne w skutkach trzęsienie w Japonii. Twierdził, że zanim on nastąpił, w jonosferze pojawiła się fala elektronów i jonów oraz obserwowano tam emisję promieniowania podczerwonego (czyli ciepła). „To była konsekwencja ucieczki radonu ze skał. Wstrząs dosłownie wisiał w powietrzu” – relacjonował naukowiec. Ouzounov i trzej inni badacze napisali niedawno książkę („Pre-Earthquake Processes”, Wiley 2018), w której wyłożyli argumenty na rzecz stworzenia systemu wczesnego ostrzegania przed trzęsieniami ziemi na podstawie obserwacji jonosfery przy pomocy satelitów i stacji naziemnych. Inny badacz – francuski wulkanolog Jacques Zlotnicki z Le Laboratoire Magmas et Volcans – chciałby do trzęsień ziemi dorzucić jeszcze wulkany, ponieważ z obserwacji sondy DEMETER wynika, że one także potrząsają jonosferą, zanim same wybuchną.
Nieprędko jednak doczekamy się takich prognoz. Ouzounov uważa, że potrzeba na to co najmniej dekady. Danych jest wciąż za mało. Bardziej zasadnicze zastrzeżenia ma jednak wielu sceptycznie nastawionych sejsmologów. Ich zdaniem nie istnieją żadne twarde dowody na to, że skały zawczasu ostrzegają przed wstrząsem. „Zbieżność pomiędzy zaburzeniami w jonosferze a późniejszymi trzęsieniami jest przypadkowa. To tylko fantazja niektórych naukowców” – mówi Malcolm Johnston z United States Geological Survey, który ostatnio próbował powtórzyć eksperyment Freunda, ale nic z tego nie wyszło: w wielkim bloku skalnym ściskanym przez jeszcze większą prasę hydrauliczną nie pojawił się ładunek elektryczny. A jednak Freund (podobnie jak Ouzounov) jest optymistą. „Jak widać potrzebujemy jeszcze silniejszych argumentów, by przekonać wątpiących. Radykalna teoria Wegenera, że kontynenty znajdują się w ruchu, czekała na potwierdzenie ponad pół wieku. Być może w tym przypadku będzie podobnie” – mówi.
Andrzej Hołdys
dziennikarz popularyzujący nauki o Ziemi, współpracownik „Wiedzy i Życia”