Зачем в геофизике нужны спутниковые методы? Как с помощью состоявшегося землетрясения сегодня прогнозируют цунами? Можно ли взять под контроль все катастрофические события на планете? Узнаем ли мы когда-нибудь, как устроена наша планета изнутри? Об этом мы беседуем с Григорием Михайловичем Стебловым, главным научным сотрудником Института физики Земли и заместителем директора по научной работе Института теории прогноза землетрясений и математической геофизики РАН, профессором РАН, доктором физико-математических наук.
— Григорий Михайлович, одно из основных направлений научной деятельности, которым вы занимаетесь, это спутниковые наблюдения — наверное, самое молодое направление в геофизике. Что это за методы?
— Основными источниками информации о том, как устроена Земля, какие процессы в ней протекают, многие годы были наблюдения доступных нам геофизических полей на поверхности нашей планеты. Чтобы достичь глобального охвата измерений по всему земному шару, требовалось проводить значительный объем работ. Это были очень трудоемкие, длящиеся годами и десятилетиями работы. Рано или поздно они давали свой результат.
Значительное изменение и повышение результативности исследований геофизики связано именно с внедрением различных спутниковых технологий, позволяющих проводить большую часть тех же наблюдений, которые раньше выполнялись на земной поверхности, только из космоса.
— О каких спутниках речь?
— Это спутники автоматические. Параметры их орбит выбираются так, что они автоматически по мере пролета заметают всю земную поверхность и дают нам информацию о тех же геофизических полях, только гораздо быстрее и с глобальным охватом.
— Есть ли у нас собственные спутники, ведущие такого рода наблюдения?
— У нас есть несколько программ, более или менее развитых по сравнению с мировым уровнем. Один из таких наиболее удачных проектов — это глобальная спутниковая навигационная система ГЛОНАСС. Как известно, она изначально разрабатывалась, как и аналогичные зарубежные спутниковые навигационные системы, для навигации подвижных объектов: автомобилей, самолетов, морских судов, пешеходов.
Но с повышением точности, с развитием технологии обработки измерений, фильтрации инструментальных помех эти навигационные системы, и в том числе ГЛОНАСС, стали пригодны не только для навигации, но и для высокоточных наземных определений, которые по своей точности подходят для того, чтобы отслеживать тонкие, малозаметные движения, например, земной коры.
— О каких величинах идет речь?
— Величины этих движений — сантиметры в год. Чтобы заметить такие движения, нужно иметь точность гораздо лучше, чем сантиметры, а не метры, как для автомобиля или самолета.
— Для чего ведутся такие наблюдения?
— Движение земной поверхности — один из показателей эндогенных процессов, протекающих внутри Земли, который сопровождает подавляющую часть всех геодинамических процессов. Процессы любой природы, которые протекают в недрах Земли и проявляются в виде движений земной поверхности на уровне хотя бы 2–3 см, можно заметить, используя спутниковые геодезические системы. Это, например, медленные движения тектонических плит, из которых складывается земная литосфера. Это и быстрые движения, происходящие во время землетрясений, когда напряжения, накопившиеся при движениях литосферных плит от их взаимного трения, деформации, сопровождаются выделением сейсмических волн. Раньше они регистрировались только сейсмографами, а теперь еще и с помощью спутниковой геодезии.
Казалось бы, сейсмология дает достаточно много информации о землетрясениях и о процессах, их сопровождающих, но там есть свои ограничения по частотному составу наблюдаемых движений. Это только быстрые колебания. А вот медленная часть таких длительных, в частности, постсейсмических процессов, которые иногда затухают годы и десятилетия, можно видеть только такими методами, как спутниковая геодезия.
— Можете ли вы привести пример, когда с помощью этих методов удалось наблюдать какой-то очень важный процесс, ранее неизвестный, не наблюдаемый учеными?
— Здесь скорее можно говорить о гипотезах, которые у нас были. Например, о тектонике плит, которая многие годы, даже десятилетия в нашей стране была предметом жарких дискуссий: есть горизонтальные движения или нет? Были многочисленные косвенные признаки, но не было никаких прямых указаний на это, потому что, как я уже упоминал, скорость этих движений — сантиметры в год. Измерительных средств, чтобы это заметить, не было.
— И что же оказалось? Есть горизонтальные движения?
— Да. Сегодня известно, что вся земная поверхность состоит из жестких сегментов, которые движутся горизонтально. Это концепция тектоники плит в самом упрощенном виде. Главный фактор применения спутниковой геодезии состоял в прямом подтверждении этих горизонтальных движений, которые, как оказалось, по величине и по направлению более или менее согласуются с гипотезами, строившимися до этого по различным геолого-геофизическим данным. Они были впервые измерены за последнее 20 лет — время развития спутнико-геодезических технологий.
— Это фундаментальное знание о том, как ведет себя наша планета. А в прикладном смысле это что-то может дать?
— Во-первых, это имеет большое значение для понимания, как и где накапливаются деформации в земной коре, в ее верхней части. Эти деформации, соответственно, приводят к тектоническим напряжениям, которые в конечном счете вызывают землетрясения, сильные сейсмические события. То есть сейчас уже есть понимание, где следует ожидать накопления максимальных напряжений.
— То есть мы движемся к модели землетрясений, которой пока нет?
— Модель механизма землетрясений есть. Проблема в том, как понять, каким образом и где формируются напряжения. Прогноз также включает локализацию места, ожидаемое время и магнитуду, то есть силу землетрясения. Что касается времени, то есть момента, когда его стоит ожидать, — это еще далеко не решенный вопрос. А вот локализация места напряжений, особенно сильнейших, тех, которые больше всего беспокоят своими последствиями, — с этим уже есть подвижки. Мониторинг движений указывает на эти места с гораздо большей информативностью.
— А это проясняет ситуацию?
— Да, мы знаем, где можно ожидать сильнейших событий.
— Знаю, что вы занимаетесь не только землетрясениями, но еще и цунами. За ними тоже можно следить из космоса?
— Да. Здесь, как оказалось, тоже важны спутниковые технологии. В частности, глобальная навигационная спутниковая система приносит очень большую пользу.
Здесь есть несколько аспектов. Вопросы изучения цунами, так называемое цунами-районирование, это вопрос, аналогичный сейсморайонированию, то есть выяснение вопроса, где следует ожидать цунами. Это вопрос пока в стадии разработки, как и прогноз землетрясений, где мы движемся, но до уверенных ответов еще путь неблизкий.
Есть такой практический вопрос, как системы раннего предупреждения о цунами. Он возникает тогда, когда сильное цунамигенное землетрясение уже произошло, а волна, которую оно порождает, распространяется не с такой скоростью, как сейсмические волны, то есть она придет гораздо позже в зависимости от удаления очага от береговой линии. Это могут быть полчаса, 40 минут, час и многие часы, потому что большое цунами от сильного подводного землетрясения пересекает целые океаны.
Если говорить о Тихом океане, где сейсмические события регулярно происходят в районе дальневосточного побережья нашей страны, Курил и Камчатки, то эти волны докатываются и до чилийского побережья Южной Америки, и так же и в обратную сторону. События, происходящие в цунамигенных регионах вдоль западного побережья Южной Америки, докатываются и до Аляски, и до нас на Дальнем Востоке. Поэтому вопрос о том, следует ли ожидать цунами, когда, какой высоты заплеск, на каком удалении от береговой линии затопление, в то время как уже произошло сейсмическое событие, имеет важное практическое значение. От этого зависит принятие решения, объявлять ли тревогу и проводить ли эвакуационные мероприятия, или это ни к чему.
— В чем состояли проблемы до эпохи внедрения спутниковых технологий применительно к этому вопросу?
— Естественно, эти службы предупреждения о цунами существовали давно. В основном они базировались на сейсмических наблюдениях на береговых линиях. Проблема состояла в оценке параметров. Не так просто оперативно оценить механизм очага, понять, в каком направлении, как сориентированы подвижки земных пластов, на сколько поднялось морское дно. А это должно быть подводное землетрясение, причем достаточно мелкофокусное, то есть его очаг должен быть не очень глубоким, чтобы дно резко поднялось и породило волну.
— А если очаг глубокий, то ничего не будет?
— Именно так. В случае глубоких очагов, даже очень сильных, этого не происходит. Поэтому и надо определить, на какой глубине, какой механизм подвижки и какой силы. Это довольно трудно сделать посредством сейсмического наблюдения в оперативном режиме. За время последних двух десятилетий инструментальных наблюдений на глубине 600 км в Охотском море было сильное землетрясение с магнитудой больше восьми баллов. Никакого цунами оно не породило. Хотя микроэффекты колебаний были замечены на очень большом удалении, и даже есть отдельные сведения о том, что и в Москве кто-то что-то почувствовал.
— 600 км — это большая глубина?
— Это сверхбольшая глубина.
— А какая глубина достаточна, чтобы произошло настоящее цунами?
— Это первые десятки километров. Тут все определяет сочетание факторов: глубина и сила, сила в очаге, то, что называется магнитудой. Попытки это смоделировать — как раз то, чем мы занимаемся. Есть отработанный аппарат для расчета: зная параметры очага и силу, глубину и направление подвижки в очаге, можно рассчитать величину поднятия земной поверхности. Если земная поверхность — это дно океана, то, соответственно, возникает начальный импульс, генерирующий волну по всей толще океана, в отличие от поверхностных волн, вызываемых ветром. Именно спутниковые геодезические наблюдения позволяют в первые минуты произвести подобные расчеты, оценить источник цунами. В отличие от сейсмологических наблюдений, где требовалось минимум 20 минут, чтобы сделать такой прогноз, здесь все делается за минуты.
— А нет ли в перспективе возможности опускать эти очаги землетрясений пониже, чтобы цунами не докатывалось до заселенных людьми берегов?
— Мы не можем оказывать столь сильное воздействие на Землю. Энергетика этих явлений превосходит все человеческие возможности.
— А как вы думаете, в будущем могут появиться такие технологии или это в принципе невозможно?
— На данный момент не просматривается, каким способом это можно было бы сделать. Это сродни тектоническому оружию. Возникает вопрос, какое употребление найдут подобные навыки: на благо или во вред? Владение такими технологиями — это вопрос большой ответственности. Так же как атомная энергетика, которая бывает как мирная, так и совсем наоборот.
— Вопрос механизма цунами для ученых уже более или менее понятен. А вот что касается волн-убийц, о которых ходит много пугающих слухов, — здесь удалось что-то понять?
— Здесь, опять же, существуют различные гипотезы, более или менее правдоподобные. Это не связано с подводной сейсмической активностью. Тут задействована гидродинамика океана. Наиболее понятное представление — сложение волн, или интерференция. Это процесс довольно стохастический, то есть происходящий случайным образом, и здесь так же, как и в вопросах климатологии, для предсказаний нужно моделировать процессы, описываемые огромным количеством параметров. Это огромные объемы, и для решения таких задач нужны суперкомпьютеры.
— Но ведь они уже есть.
— С климатом они уже достаточно хорошо справляются, прогнозируют динамические процессы в атмосфере, движение воздушных масс, температуру, давление, влажность и состав — это все можно заложить в программу. Расчеты происходят на суперкомпьютере, мощностей хватает. С водными массами необходимо делать то же самое. Если эту модель заложить и запустить, то можно смоделировать то, что мы наблюдаем. Так что это реализуемый вопрос.
— Как вы думаете, удастся ли со временем взять под контроль все катастрофические события, происходящие на нашей планете?
— Контроль подразумевает, видимо, два аспекта. Первый — знание и предвидение. Второй — управление. Скорее всего, в прогнозировании, в предвидении, в понимании механизмов их подготовки, я думаю, прогресс идет уверенными шагами. А что касается того, чтобы взять под контроль такие процессы, то здесь пока нет каких-то очевидных методов, которыми можно воздействовать, по крайней мере на тектонические процессы.
Ведь мы даже не можем толком заглянуть в Землю — в отличие от астрономии, где можно на любой объект, даже самый далекий, навести телескоп. Направить какой-то наблюдательный инструмент в Землю невозможно. 12-километровая сверхглубокая Кольская скважина — это самая большая глубина, куда проникло человечество. Была возможность извлечь оттуда образцы, хоть как-то проверить наши гипотезы о том, как устроена наша планета. В основном наши знания базируются на наблюдениях поверхности, а еще на наших моделях о том, какие процессы там протекают, какова структура недр Земли.
Математические расчеты по этим моделям дают некоторые прогнозные величины того, что должно наблюдаться на земной поверхности. Сравнивая эти знания с тем, что мы на самом деле наблюдаем, мы можем судить о том, насколько хороши эти модели.
— То есть получается, что наша родная планета — бо́льшая загадка для нас, чем дальний космос?
— Именно так, потому что туда нельзя попасть напрямую.
— В американском фантастическом фильме «Вглубь Земли» исследователи отправляются к недрам нашей планеты на изобретенном ими же аппарате. Как вы думаете, возможны ли в принципе технологии, когда пусть не люди, а роботы движутся на какой-то машине в центр Земли?
— Начать движение возможно. Вопрос, скоро ли оно закончится. На данный момент закончится достаточно быстро, потому что там такие условия — в первую очередь это температура и давление, — при которых никакой аппарат существовать не может.
— Но ведь создали аппараты, которые смогли опуститься на Венеру и передавать оттуда данные, при том что там совершенно чудовищные условия.
— Там, конечно, тяжелые условия, сотни градусов температуры, давление 90 атмосфер, серные облака. Но в земных недрах гораздо хуже. И плотности пород, и температура, и давление несопоставимы с венерианскими. А если уж добраться до ядра, то там вряд ли что-то уцелеет, по крайней мере долго. Тем более там не будет возможности что-то передать наверх.
— Но было бы интересно.
— Конечно, интересно. Все, что труднопостижимо и загадочно, крайне интересно.
