Вызов хаосу: можно ли было предсказать землетрясение в Турции и Сирии
Утром 6 февраля в Турции и Сирии произошло землетрясение магнитудой 7,7. Через несколько часов последовало новое мощное землетрясение. Погибли более 18 000 человек в Турции и более 1300 — в Сирии и, вероятно, эти цифры не окончательные. Но они уже практически сравнялись с общим числом погибших в 200 землетрясениях за 2015-2022 годы, попавших в базу данных EM-DAT (около 21 800 человек). Материальный ущерб от этих двухсот землетрясений составил $96 млрд. Ущерб от стихийного бедствия в Турции и Сирии еще не подсчитан, но, вероятно, он будет не меньше, а то и больше.
Почему стихия за сутки нанесла такой же удар, как за предыдущие семь лет? Дело не только в том, что землетрясение было мощным. Магнитуда 7,7 (эта величина характеризует энергию землетрясения) велика, но отнюдь не рекордна. На Земле ежегодно случается несколько таких же сотрясений. Далеко не все из них приводят к большим жертвам и разрушениям.
Но в этот раз подземные толчки пришлись на густонаселенные районы. К тому же они начались в 4:15 по местному времени, когда большинство людей находилось в своих домах. И, вероятно, далеко не все эти дома были выстроены по современным стандартам сейсмостойкости. При этом очаг первого землетрясения находился всего в 18 км от поверхности земли, а второго — и вовсе в 10 км. Местный не слишком прочный грунт тоже сыграл свою роль. Все это вместе взятое и привело к огромному числу жертв.
Столь страшный итог можно было бы предотвратить, если бы власти узнали о приближении катастрофы за несколько суток или хотя бы часов и вывели людей из зданий. Но им неоткуда было об этом узнать. Несмотря на десятилетия напряженных исследований, ученые все еще не в состоянии вычислить день и час предстоящего землетрясения.
Причина дрожи
Примитивные сейсмографы появились еще в Древнем Китае около двух тысячелетий назад. Но наука сейсмология родилась вместе с XX веком. Сеть сейсмостанций медленно, но верно охватывала мир. Однако причины землетрясений все еще оставались загадкой. Они начали проясняться только в 1960-е годы, когда накопились свидетельства движения материков, предсказанного в начале XX века Альфредом Вегенером. Коль скоро земная кора состоит из подвижных плит, то плиты могут сцепляться краями, давить друг на друга и так далее. Могучий напор тектонической плиты деформирует геологические пласты, как сильные руки изгибают палку. Но если согнуть палку слишком сильно, она с треском сломается, а ее обломки некоторое время будут дрожать. Землетрясение — это и есть слом очередной «палки» внутри земной коры, со всей полагающейся дрожью и треском.
Эта картина великолепно согласуется с тем фактом, что почти все землетрясения происходят на границах тектонических плит. Вот и недавнее бедствие случилось на стыке Евразийской, Африканской и Анатолийской плит.
Однако дьявол, как известно, кроется в деталях. Прочность пород можно проверить, просто положив образец под пресс. Такие эксперименты показывают, что «сломать палку» может лишь огромное механическое напряжение, много больше ожидаемого в зоне сцепления плит. Еще более загадочны очаги землетрясений в мантии, на глубинах до 700 км. В общем, у геофизиков пока нет удовлетворительной физической модели землетрясения. И как же спрогнозировать событие, если мы плохо понимаем его механизм?
Возможно, новый свет на природу землетрясений прольет Глубинная обсерватория разлома Сан-Андреас (SAFOD), с 2008 года работающая на глубине более трех километров. На Земле есть и гораздо более глубокие скважины, но только эта пробурена в сейсмически активном разломе. Впервые научные приборы установлены в непосредственной близости к очагам землетрясений. Впрочем, никто не знает, сколько таких обсерваторий понадобится, чтобы разобраться в природе этого грозного явления.
Поиск по приметам
Медики хорошо знают: не обязательно понимать причину заболевания, чтобы распознать его симптомы. Аналогично, если есть надежные внешние признаки приближающегося землетрясения, не нужно знать, как они работают, чтобы эвакуировать людей.
Поиск таких признаков развернулся в 1970-х годах, особенно активно — в СССР, США, Китае и Японии. В США и Японии развернули сеть датчиков на огромных территориях. Советские ученые предпочли как можно тщательнее оснастить несколько небольших полигонов. Исследователи собирали данные не только о движении земной коры, но и о локальной силе тяжести, магнитных полях, грунтовых водах, атмосферных и электрических явлениях. В Китае сделали ставку не на приборы, а на целую армию наблюдателей. Они должны были сообщать о странном поведении животных (некоторые из них слышат инфразвук, недоступный человеческому уху), неожиданных изменениях уровня воды в колодцах и так далее.
В 1975 году благодаря таким наблюдателям китайские ученые предсказали сильное землетрясение, разрушившее город Хайченг. Около 2000 человек все равно погибли, но если бы за несколько часов до катастрофы не была объявлена тревога, жертв было бы в десятки раз больше.
Однако победная эйфория длилась недолго. Как люди-наблюдатели, так и беспристрастные приборы регулярно выдавали ложные тревоги, но далеко не всегда предупреждали о реальных бедствиях. Некоторые явления действительно демонстрировали взаимосвязь с подземными толчками, но лишь статистическую. Аналогия: хорошо известно, что мужчины в среднем выше женщин. Но если следователю известен только рост преступника, невозможно сказать, какого тот пола. Точно так же ни одна из отслеживаемых учеными величин не оказалась надежным предвестником бедствия. Даже если какие-то землетрясения и предсказывались, эффект от успехов не перекрывал ущерба от ложных тревог.
Эффект бабочки
В 1990-е годы набрала популярность идея, что точный краткосрочный прогноз землетрясений вообще невозможен. Отчасти этот пессимизм был вызван бесплодностью огромных усилий предыдущих лет. Но у него появилась и солидная теоретическая база.
Сейсмологи давно обнаружили, что количество землетрясений обратно пропорционально их энергии, возведенной в некоторую степень (закон Гутенберга—Рихтера). Математики называют такие законы степенными. Удивительно, но степенная зависимость количества событий от их размаха встречается в самых разных областях, вплоть до колебаний курсов акций. Сама собой напрашивается гипотеза, что за этими разнородными явлениями стоит общий механизм, который можно описать математически. Подобное часто случается в науке.
В конце 1980-х была создана теория самоорганизованной критичности, претендующая на объяснение всех этих явлений. Обычно ее поясняют на примере кучи песка.
Представим себе кучу песка на столе. Мы медленно сыплем на нее сверху новый песок, и куча растет. С другой стороны, на склонах случаются маленькие и большие лавины. Некоторые из них достигают подножия и уносят часть песка за край стола. Рано или поздно размер кучи стабилизируется: падающие сверху песчинки компенсируются упавшими за край стола. Такое состояние кучи называется критическим. В критическом состоянии каждая упавшая песчинка вызывает лавину того или иного масштаба, причем зависимость количества лавин от их размера — степенная.
Критическое состояние возникает независимо от деталей эксперимента: формы стола, точки падения песка на кучу и так далее. Именно поэтому критичность называют самоорганизованной: она возникает сама собой, без тонкой подстройки параметров. А это серьезная заявка на то, что подобный механизм широко распространен в природе.
Авторы модели обратили внимание, что с точки зрения математики куча песка работает так же, как и «игрушечная» модель земной коры из пружин и блоков. Роль песчаных лавин играют землетрясения, и закон Гутенберга — Рихтера, который десятилетиями не удавалось объяснить, появляется естественным образом. Сейсмологи заинтересовались этой идеей, и уже к середине 1990-х вышло более сотни научных работ, в которых землетрясения рассматривались как следствие самоорганизованной критичности земной коры.
Но у этой модели есть важное свойство. Предсказать, где и когда случится следующая большая лавина, невозможно. Ведь ее может вызвать случайная песчинка, упавшая в каком угодно месте. Это практически пресловутый эффект бабочки. Принимая теорию самоорганизованной критичности, сейсмологи, казалось, расписывались в бесплодности любых прогнозов.
И снова предвестники
Однако скептики задались простым вопросом: действительно ли земная кора непрерывно находится в критическом состоянии, как та самая куча песка? Быть может, ее состояние то приближается к критическому, то удаляется от него? И если мы не можем предсказать конкретное землетрясение, не удастся ли нам, по крайней мере, уловить признаки нарастающей критичности?
Критическая система должна чутко откликаться на внешние воздействия, даже незначительные. Они могут играть роль песчинки, запускающей лавину, большую или малую. И действительно, тщательные наблюдения показывают, что сила и частота землетрясений зависит от лунных циклов, вызывающих приливы и отливы не только в море, но и в земной коре. Есть данные, что перед сильными подземными толчками литосфера сильнее откликается и на прохождение циклонов.
Ученые снова ищут предвестники, причем с техническими средствами, недоступными в 1970-х. Это GPS-приемники, широкомасштабные спутниковые наблюдения и так далее. Но теперь это уже не признаки землетрясения в конкретном месте в ближайшие сутки-двое, а знаки того, что земная кора в данном районе перешла в критическое состояние. А значит, что-то вот-вот случится. И можно если не эвакуировать город, то хотя бы перевести экстренные службы в режим повышенной готовности.
Но и эти исследования далеки от практических результатов. Пока лучшее, что можно противопоставить дрожи земли — сейсмостойкие здания. Благо самые совершенные из них умеют даже падать, не разрушаясь.