Infradźwięki informują o katastrofach

Pomimo zmian klimatycznych powyżej wysokości 3500 m n.p.m. temperatury powietrza w Alpach są wciąż bardzo niskie. Wieloletni lód rejteruje natomiast z wielu grani i stoków leżących nieco niżej, na poziomie 2500–3500 m n.p.m. To strefa najbardziej podatna na obrywy i osuwiska. Procesy te nasilą się dziesiątki, a może setki razy, jeśli – jak prognozuje wielu klimatologów – średnie roczne temperatury w Alpach wzrosną o kilka stopni w ciągu najbliższego półwiecza. Jedną z głównych ofiar tego procesu może stać się szwajcarski szczyt Eiger (3970 m n.p.m.). Główną atrakcją jest jego słynna północna ściana o wysokości 1800 m. Przyciąga ona nie tylko poszukujących ekstremalnych wrażeń alpinistów, ale i po prostu gapiów, a także tych, którzy chcą wjechać najwyższą w Europie kolejką zębatą wdrapującą się na wysokość 3454 m n.p.m. na przełęcz Jungfraujoch, gdzie zbudowano wielkie centrum turystyczne. Trasę kolejki wykuto we wnętrzu Eigeru i sąsiedniego szczytu Mönch (4107 m n.p.m.). Lodowce spływające z obu gór, a także z sąsiedniego czterotysięcznika Jungfrau (4158 m n.p.m.) kurczą się, odsłaniając skałę, do której dobiera się erozja. Latem 2006 r. od północnej ściany Eigeru oderwał się wielki blok skalny o masie ok. 5 mln ton.

Z tym większym niepokojem badacze śledzą losy lodowca zawieszonego na zachodnim zboczu tej samej góry. Znajduje się on na wysokości 3400 m n.p.m., a więc w strefie najbardziej czułej na zmiany klimatyczne. Z każdym rokiem jest mniejszy, przy czym nie zamierza zniknąć po cichu, ale robi to z rozmachem. Od jego czoła o wysokości dziesięciopiętrowego budynku i szerokości jakichś 200 m regularnie odrywają się wielkie bloki lodu, które najpierw spadają, a potem zjeżdżają po bardzo stromym zboczu, a gdy ten traci nachylenie, zmieniają się w nietypową lawinę złożoną nie ze śniegu, ale z lodowych odłamków, co sprawia, że bardziej przypomina ona osuwisko albo obryw skalny. Lodowy drobiazg kieruje się w stronę ostatniego przed tunelem przystanku na trasie kolejki na Jungfraujoch. Stacyjka o nazwie Eigergletscher znajduje się na wysokości 2320 m n.p.m. i na razie lodowe lawiny z Eigeru do niej nie docierają, ale to się może niedługo zmienić, jeśli klimat w Alpach będzie wciąż się ocieplał i coraz silniej podgryzał lodowiec.

Brzmienie pękającego lodu

W 2016 r. u stóp Eigeru pojawił się Emanuele Marchetti z Università degli Studi di Firenze, ekspert od analizy fal akustycznych niskiej częstotliwości, czyli infradźwięków. Przyjechał na zaproszenie dwóch szwajcarskich badaczy z politechniki ETHZ w Zurychu. Po przeprowadzeniu wizji lokalnej naukowcy zainstalowali w pobliżu stacji Eigergletscher cztery czujniki do rejestracji infradźwięków. Od wiszącego lodowca dzieliło aparaturę 1,5 km w poziomie i prawie 1 km w pionie. Rok później, 29 maja 2017 r., nad ranem wielki płat lodu o długości ponad 100 m i wysokości kilkunastu metrów oderwał się od czoła lodowca i popędził pół kilometra w dół, a następnie roztrzaskał się o skałę, rozsypując się na miliardy lodowych kryształków, z których część dotarła aż do stacji kolejki, pokrywając krystalicznym puchem czujniki przywiezione przez Marchettiego z Florencji. Nic im się nie stało, a wcześniej z dokładnością do ułamków sekundy zarejestrowały moment pęknięcia czoła lodowca, któremu towarzyszyła emisja infradźwięków.

Naukowcy przez trzy lata skrupulatnie analizowali tę i mniejsze lawiny lodowe spod Eigeru i doszli do wniosku, że oto znaleźli uniwersalny, tani i prosty sposób na monitorowanie tempa rozpadu lodowców górskich. Zamiast kosztownych sejsmometrów czy radarów wystarczą względnie nieskomplikowane czujniki ciśnienia akustycznego, które z odległości kilku kilometrów określą rozmiary odrywającego się bloku lodowego, miejsce i sposób jego upadku oraz dalsze losy lodowych drobin. Docelowo Marchetti i jego towarzysze chcieliby umieścić takie infradźwiękowe posterunki w pobliżu kilkunastu alpejskich lodowców, do których ciepło dobiera się szczególnie intensywnie.

Powyższe analizy to tylko jeden z wielu sposobów wykorzystania infradźwięków do badania i monitorowania rozmaitych zjawisk naturalnych. Infradźwięki są niesłyszalne dla ucha ludzkiego, ponieważ ich częstotliwość nie przekracza 20 Hz. Występują jednak powszechnie w przyrodzie, są też generowane sztucznie. Ich źródłem mogą być trzęsienia ziemi, burze, wulkany, wielkie lawiny albo pękające lodowce. W ostatnich dekadach rozwinęła się cała specjalność naukowa zajmująca się badaniem i wykorzystaniem infradźwięków m.in. do gromadzenia danych o środowisku naturalnym. Potencjalnych zastosowań szybko przybywa – od studiowania wnętrza skorupy ziemskiej i wyższych warstw atmosfery przez śledzenie gwałtownych zjawisk meteorologicznych po instalowanie na stokach górskich systemów ostrzegania przed lawinami. Oczywiście próbuje się też wykorzystać je zarówno do celów wojskowych, jak i medycznych.

Ziemia na podsłuchu

Po raz pierwszy obserwowano naturalne infradźwięki po eksplozji indonezyjskiego wulkanu Krakatau w 1883 r. Wiele razy obiegły glob, wybijając szyby w domach oddalonych o dziesiątki kilometrów od miejsca erupcji. Ich obecność odnotowały czułe barometry. Tak samo było w przypadku słynnej eksplozji meteorytu tunguskiego, który w czerwcu 1908 r. rozpadł się nad środkową Syberią, powalając drzewa w promieniu 40 km. Wybuch widziano z odległości 500 km i słyszano z dwukrotnie większego dystansu. Infradźwięki obiegły wówczas cały glob. Jednak prawdziwe zainteresowanie tymi falami akustycznymi zaczęło się po II wojnie światowej, kiedy rozkręcił się zimnowojenny wyścig zbrojeń. Na poligonach w różnych miejscach przeprowadzono wówczas setki prób atomowych, w tym testów w atmosferze. Każda taka atmosferyczna detonacja była bardzo silnym źródłem infradźwięków, z których część – te o częstotliwości znacznie poniżej 1 Hz – rozchodziła się wokół całej planety i była odbierana przez specjalne mikrofony zaprojektowane z myślą o wykrywaniu takich prób. W 1963 r. podpisano międzynarodowe porozumienie o zakazie przeprowadzania testów broni jądrowej w atmosferze, które sprawiło, że zainteresowanie infradźwiękami jako elementem systemu obrony geoakustycznej, jak to wówczas określano, znacznie spadło. Ale wtedy nasłuchiwać ich zaczęli naukowcy badający ziemskie środowisko naturalne.

Rzecz wcale nie była prosta. Nagrania zarejestrowane czułym sprzętem zawierały dziesiątki różnych tajemniczych „szumów”, z których każdy skądś przecież pochodził. Upłynęły dekady, nim zmieniły się w sygnały, czyli nośniki konkretnych informacji. Przykład badań nad rozpadem lodowca pod wierzchołkiem Eigeru pokazuje, że proces rozpoznawania szumów wciąż trwa. Naukowcy stopniowo poznają kolejne instrumenty składające się na infradźwiękową orkiestrę. Wiedzą już, że inaczej brzmi lawina, inaczej zorza polarna, a jeszcze inaczej wiatr halny spływający gwałtownymi porywami z grani do dolin. W tym ostatnim przypadku infradźwięki, wznoszące się i opadające w rytmie 20–70 s, mogą być zdaniem niektórych specjalistów odpowiedzialne za większą liczbę zawałów i samobójstw w okresach takich wichur. Nawet wtedy, gdy nasze ucho nie słyszy infradźwięków, nasze ciało może je odczuwać, w tym przypadku – niekorzystnie.

Jedną z najbardziej interesujących i użytecznych właściwości infradźwięków jest to, że mogą bez zakłóceń pokonywać znaczne dystanse. Wiemy z codziennego doświadczenia, że niższe dźwięki bywają słyszane z większej odległości niż wyższe. Gdy niedaleko nas uderza piorun, towarzyszący mu grom składa się również z doskonale słyszalnych trzasków o wysokiej częstotliwości, ale osoba znajdująca się daleko usłyszy jedynie charakterystyczny głęboki pomruk odległej burzy. Dźwięki, które słyszymy, rzadko pokonują więcej niż kilkadziesiąt kilometrów. To dlatego, że są silnie pochłaniane przez atmosferę – tym silniej, im wyższą mają częstotliwość. W przypadku tonu o częstotliwości 1000 Hz pochłonięte zostaje ok. 90% energii, nim pokona on 7 km (w przyziemnej warstwie atmosfery). W przypadku tonu o częstotliwości 1 Hz dystans ten wynosi ok. 3 tys. km, a ton 0,01 Hz może bez zakłóceń odbyć podróż dookoła świata.

Atomowy strażnik

Ta wiedza okazała się przydatna, gdy ponad ćwierć wieku temu, we wrześniu 1996 r., podpisano jedno z najważniejszych porozumień międzynarodowych – traktat o całkowitym zakazie prób z bronią jądrową. Układ, w skrócie zwany CTBT (od ang. Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty), został ratyfikowany przez większość krajów, ale nadal nie wszedł w życie. Stanie się tak dopiero, gdy ratyfikują go wszystkie 44 kraje, które negocjowały ostateczną wersję umowy. Ciągle nie uczyniło tego osiem państw, w tym Stany Zjednoczone, Chiny, Indie, Pakistan, Iran i Korea Północna. Mimo to dwie dekady temu przystąpiono do budowy globalnej sieci aparatury kontrolnej wykrywającej i szybko weryfikującej każdą próbę użycia broni atomowej w dowolnym miejscu Ziemi. Planetę, niczym ciężko chorego człowieka, wzięto pod ścisłą obserwację. W skład sieci IMS (od ang. International Monitoring System) wchodzą stacje do pomiaru poziomu substancji radioaktywnych, sejsmografy, aparatura hydroakustyczna na dnie oceanów oraz czujniki do odbioru infradźwięków.

Tych ostatnich postanowiono rozmieścić na globie 60. Znajdują się w 37 państwach i na Antarktydzie. Są to mikrobarometry w systemach długich rur wytłumiających drgania wywoływane przez wiatr. Sprzęt montuje się z dala od miast, zakładów, portów i lotnisk, najchętniej w środku lasu, który chroni przed wiatrem i wycisza tło. Nie zawsze jednak jest to możliwe. Na przykład amerykańska stacja Windless Bight, jedna z pierwszych w sieci, stoi na Lodowcu Szelfowym Rossa. Wyszukano jednak dla niej rejon niemal bezwietrzny, co na siódmym kontynencie, znanym raczej z huraganowych wiatrów, łatwe nie było. Gdy naukowcy zaczęli analizować sygnały z tej antarktycznej stacji, odkryli, że wiele z nich pochodzi z odległego o 28 km czynnego wulkanu Erebus, a źródłem innych jest miejsce zwane Vee Cliffs, gdzie wielkie strumienie lodu opuszczają ląd i zmieniają się w unoszący się na wodzie lodowiec szelfowy. Wulkanolodzy i glacjolodzy byli zachwyceni tym odkryciem. Oto pod postacią IMS zyskali nowe narzędzie do zbierania danych na temat interesujących ich obiektów naturalnych i zjawisk przyrodniczych. Oczywiście głównym wyzwaniem pozostało rozszyfrowanie tych sygnałów. W kolejnych latach zajęły się tym setki badaczy. W wielu zakątkach świata zaczęto podsłuchiwać lód i wulkany. Jednym z nich był ekwadorski olbrzym Cotopaxi, wznoszący się na niebotyczną wysokość 5897 m n.p.m.

Cotopaxi to jeden z najwyższych czynnych wulkanów świata. Są na Ziemi większe od niego stożki, ale przeważnie niedające od dawna znaku życia. Tymczasem Cotopaxi, położony niedaleko Quito, stolicy Ekwadoru, bywa często nadpobudliwy. Od 2015 r., gdy po raz kolejny zadrżał i wypuścił dużo gazów, znalazł się pod ścisłym nadzorem, jako że mieszka pod nim pół miliona ludzi. Na jego wierzchołku Jeff Johnson z Boise State University (USA) i jego współpracownicy rozmieścili aparaturę do rejestrowania infradźwięków powstających w chwili, gdy gazy wulkaniczne zostają wypchnięte z komory magmowej ukrytej w skorupie ziemskiej i przeciskają się przez wąską gardziel krateru. „Wulkan zmienia się wtedy w naturalne organy olbrzymich rozmiarów, które wygrywają melodie złożone z tonów o bardzo niskiej częstotliwości” – mówi Johnson, który od sześciu lat bada, w jaki sposób Cotopaxi zmienia swoją pieśń w zależności od zamiarów i nastroju. Naukowiec odkrył, że gdy olbrzym wybudza się z drzemki i rozpoczyna przygotowania do erupcji, inicjuje wojenną pieśń, która – jeśli zostanie właściwie zrozumiana przez naukowców – może ostrzec przed zagrożeniem. Johnson oraz Leighton Watson ze Stanford University wsłuchują się też w koncerty wygrywane przez chilijski wulkan Villarrica. „Na dnie krateru bulgocze tam jezioro lawy. Gdy jego poziom opada, wulkan wydaje niższe tony, gdy lawy przybywa, częstotliwość dźwięków rośnie. Zupełnie jakby to był gigantyczny puzon, który wydaje wyższe lub niższe dźwięki w zależności od tego, na jaką długość został wysunięty” – opisuje Watson.

Podczas gdy jedni próbują zrozumieć infradźwiękową mowę wulkanów, inni umieszczają czułe mikrobarometry na balonach docierających w wyższe warstwy atmosfery. W 2016 r. jeden z takich balonów należących do agencji kosmicznej NASA uniósł się z Nowej Zelandii i po osiągnięciu wysokości 30 km poleciał nad Antarktydą i Ameryką Południową, aby 43 dni później wylądować w Peru. Po przesłuchaniu nagrań Danny Bowman, kierownik projektu, stwierdził, że ich źródłem są wyładowania atmosferyczne, fale oceaniczne, jakieś eksplozje na Ziemi oraz co najmniej jeden meteoroid rozmiarów piłki do tenisa ziemnego, który wtargnął do ziemskiej atmosfery.

Odwiedziny trochę większych gości z kosmosu są namierzane przez system IMS. Tak było 21 czerwca 2018 r., gdy bolid o średnicy szacowanej na 4 m eksplodował w pobliżu rosyjskich miast Kursk, Woroneż i Lipieck na południe od Moskwy. Mikrobarometry w Rosji, Niemczech, Tunezji i na Wyspach Azorskich zarejestrowały wygenerowaną falę infradźwiękową, na podstawie której moc eksplozji oszacowano na 2,4 kilotony. Ponad 100 razy większą siłę miała eksplozja innego meteorytu, który w lutym 2013 r. wybuchł nad rosyjskim miastem Czelabińsk. Również i ona została zarejestrowana przez sieć IMS, podobnie jak nieco mniejszy meteoryt, który w grudniu 2018 r. rozpadł się na wysokości ok. 30 km nad Morzem Beringa pomiędzy Kamczatką a Alaską. O tym ostatnim dowiedziano się tylko dzięki zbudowaniu sieci do monitorowania testów z bronią jądrową. Wygląda na to, że bardziej niż do celów obronnych przyda się ona do śledzenia niewielkich obiektów wpadających do ziemskiej atmosfery. Niewielkich, ale już mogących narobić kłopotów, choć z drugiej strony mogących być źródłem cennych pozaziemskich skał. Jeszcze raz okazałoby się wtedy, że zimnowojenna rywalizacja mocarstw atomowych przyczyniła się do rozwoju lub wręcz do zainicjowania badań w wielu nowych specjalnościach naukowych i zaowocowała lawiną innowacji technologicznych.