Разработки дальневосточных ученых дадут возможность прогнозировать природные катастрофы

Тайфуны, которые ежегодно приходят в дальневосточный регион, приносят разрушения и наводнения, ущерб от них исчисляется десятками, а то и сотнями миллионов рублей. Еще больший вред приносят сильные цунами и землетрясения, которые, по счастью, случаются куда реже. Между тем, в арсенале науки появляются средства, которые могут быть использованы для прогнозирования опасных природных явлений. Как далеко продвинулись в своих исследованиях ученые, EastRussia спросила у заместителя председателя Дальневосточного отделения Российской академии наук, директора Тихоокеанского океанологического института им. В.И. Ильичева ДВО РАН (ТОИ ДВО РАН), академика РАН Григория Долгих.

фото: Евгения Степанова

От космоса до океана

– Григорий Иванович, есть ли в арсенале ученых какая-то аппаратура, с помощью которой можно предсказывать природные катастрофы?

– В Приморском крае на морской экспериментальной станции ТОИ ДВО РАН установлен комплекс приборов. Это лазерные деформографы, которые могут регистрировать смещения земной коры с точностью 10 пикометров (пикометр – одна триллионная часть метра – прим. ред.), лазерный нанобарограф – для регистрации изменений давления в атмосфере, и еще один прибор, который может фиксировать вариации давления в гидросфере.

Их создание стало возможным благодаря изобретению частотно-стабилизированных лазеров, обеспечивающих очень высокую точность измерений – условно, от 0 Герц.

Сейчас в мире чаще всего используются широкополосные сейсмографы, которые работают по принципу маятника. Как работает лазерный деформограф: есть две точки на земной коре, между ними бежит луч лазера, который с помощью интерференции снимает информацию, измеряя таким образом расстояние между двумя точками. Приборы могут стоять в любом месте, и измерять любые колебания. Это очень точный метод измерения – 10 в «минус» 24 степени метра. Размер атома 10 в «минус» десятой степени, а эти измерения еще точнее.

Лазерный измеритель вариаций гидросферного давления. фото: ДВО РАН

В 2017 году Нобелевскую премию по физике получили ученые из США из проекта LIGO. Им удалось зафиксировать гравитационные волны, запущенные столкновением двух черных дыр в космосе, в миллиарде световых лет от Земли. Для этого специалистами были разработаны большие, четырехкилометровые, приборы.

Наш прибор работает по такому же принципу, но отличается технически. В приборах проекта LIGO массивные зеркала, между которыми измеряется смещение, висят. В наших – стоят на поверхности Земли. К тому же они меньше – самый большой деформограф 52,5 метра в длину.

Работать над ним мы начали в 1979 году с помощью специалистов из Всероссийского НИИ физико-технических измерений «Дальстандарт». Сейчас мы делаем и разрабатываем такую, и не только такую, но более точную и современную аппаратуру, самостоятельно.

На основе лазерного деформографа был создан измеритель вариаций давления гидросферы. Главная его особенность в том, что он может «слышать» глубокий инфразвук. В приборе находится мембрана в нейтральном положении. Когда на нее давит вода, она «играет». Находящиеся внутри лазерный интерферометр и лазерная система регистрации с высокой точностью измеряют давление в воде. Эти измерения могут быть важны не только для научных изысканий, но и для прикладных областей, например, можно понять, что в воде находятся искусственные объекты.

Такими приборами мы можем измерять минутные, часовые, суточные и даже вековые колебания. Но, конечно, ни один прибор так долго еще работал. Так, лазерный деформограф работает стационарно с 2000 года.

Опасные подвижки и случайные открытия

– Жителей прибрежных регионов волнуют бедствия, вызванные цунами. Какие методы их прогнозирования существуют?

– Классический пример: под водой в земной коре происходит землетрясение магнитудой 7,2, делается предупреждение об опасности цунами. Предупреждение делают по географическому принципу и магнитуде – в разных регионах эта величина разная, но в основном считается, что цунами может вызвать землетрясение магнитудой от 7-7,2. Это не совсем так. Цунами вызывают поршневые подвижки дна вправо и влево, скользящие или вертикальные. Чтобы понять, ждать ли цунами, надо зарегистрировать не само землетрясение, а эти подвижки.

Наш лазерный деформограф – единственный в мире прибор, который точно может это сделать. В прошлом и позапрошлом годах наши ученые выпустили ряд публикаций в научных изданиях, где, основываясь на расчетах американских исследователей после конкретного сейсмособытия, это доказали. Тогда мы смогли на большом расстоянии – 17 000 километров – определить произошедшую величину смещения дна.

изображение: piqsels.com

Высота цунами зависит от глубины моря. Если метровая подвижка произошла на глубине пяти метров, то никакого цунами не будет. А если на глубине трех километров… Представляете, какая масса воды сдвинулась? Это может привести к очень приличному цунами.

Но если брать скорость волны цунами, то она примерно в 10 раз меньше скорости самой деформационной аномалии. Этот люфт во времени может помочь прогнозировать опасные явления.

– Это уже происходит?

– 26 декабря 2004 года в Индийском океане произошло землетрясение, вызвавшее смертоносное цунами, которое унесло жизни около 300 000 человек. Перед катастрофой деформографом была сделана запись, на которой отчетливо видно «ступеньку». Интересно, что работавший в этом же районе широкополосный японский сейсмограф ничего подобного не зарегистрировал.

Мы, конечно, предполагали, что можем «увидеть» эту подвижку, но конкретных примеров не было. Открытие было сделано, можно сказать, случайно. В 2007 году я начал обрабатывать информацию, начал искать, с чем она могла бы быть связана. Оказалось – с землетрясением в Индийском океане. «Ступенька» пришла к нам всего через 5-7 минут после толчка, скорость распространения данных была примерно 5 700 метров в секунду. А до побережья цунами добралось через два часа. Это время можно использовать для того, чтобы минимизировать его последствия.

Сейчас мы в институте планируем заняться тем, чтобы регистрировать такие подвижки в автоматическом режиме: прибор пишет, и в это же время нейросеть обрабатывает показания.

Чем опасен «голос моря»

– Как быть с тайфунами? Синоптики с большой долей вероятности могут предсказать, как поведет себя сформировавшийся тайфун, куда она пойдет, какое количество осадков принесет. Но можно ли предсказать их зарождение заранее?

– Еще в 1935 году советский геофизик Василий Шулейкин обнаружил явление, которое назвал «голос моря» - в атмосфере в районе прибрежной полосы был обнаружен звук в районе 7-8-9 Гц. Считается, что при определенной скорости ветра и определенной высоте волны возникают инфразвуковые колебания в атмосфере. Они действуют на земную кору, а сигнал по земной коре мы можем улавливать быстрее, чем по воздуху и воде.

Лазерные деформограф и нанобарограф могут регистрировать зоны образования этих волн, но природа самого явления до сих пор остается неизвестной. Кроме того, несколько лет назад мы обнаружили предвестники «голоса моря» – микросейсмы. При движении тайфуна они возникают в разных точках. Физику этого процесса также пока не удалось объяснить. Со временем мы разберемся, тем более что это может иметь очень большое значение.

фото: piqsels.com

Каждый орган человека имеет свой резонанс. Резонанс головы – 20-30 Гц, глаза – 40-100 Гц, 6-8 Гц – почек. 5-7 Гц вызывают у человека чувство страха и паники. Резонанс сердечно-сосудистой системы находится примерно в этом диапазоне. Мы думаем, что поэтому, когда приходят тайфуны, многие люди чувствуют дискомфорт, замечают боли в сердце. Это как раз влияние «голоса моря».

Через знакомых медиков я пытался найти информацию, связанную с тем, как изменяется количество вызовов «скорой помощи» перед приходом тайфуна, чтобы найти корреляцию. Но пока эти данные получить не удалось.

Но мы надеемся, что вопрос решится: это было бы очень интересно и полезно, к тому же нужно не только нам, но и нашим властям, и мы надеемся на их поддержку в этом вопросе.

Если установить закономерности, а они есть, то можно задолго до прихода тайфуна, сразу с появлением микросейсм, предупреждать людей, страдающих определенными заболеваниями, чтобы они успели принять превентивные меры.

Мы наблюдаем отдельные случаи, когда случаются внезапные инфаркты, людей накрывает волной немотивированной паники. А недавно после публичной лекции ко мне подошел мужчина, который рассказал, что несколько лет назад в море судно, на котором он находился, попало в шторм. Многие из экипажа чувствовали себя очень плохо, а один мужчина – здоровяк, занимавшийся спортом, умер от сердечного приступа. Это явно влияние «голоса моря».

Экономический расчет

– Представим идеальную ситуацию: у науки неограниченное финансирование, достаточное количество приборов, бизнес и власть с удовольствием сотрудничают. В каких областях экономики ваши приборы могли бы еще пригодится?

– Если использовать весь комплекс приборов, можно решать конкретные задачи, связанные с прогнозированием тайфунов, цунами, землетрясений.

Кроме того, интерференционные методы используются в промышленности. Допустим, когда вам нужно добиться очень высокой точности, до микрона, при обработке каких-то деталей.

Какое-то время назад были разговоры о том, что японцы, якобы, обработали винты российских подводных лодок так, что шумность упала и акустические приборы стали намного хуже улавливать их движение. Такое, действительно возможно.

Около 7 лет назад мы установили лазерный деформограф на одной из угольных шахт в Сибири.

Сами понимаете, что датчики метана в шахтах почти бесполезны. Что там происходит? Медленная деформация вызывает медленное поступление метана. В этом случае его можно откачать. Но когда случается резкая, скачкообразная деформация, происходит резкий выброс метана, который приводит к взрыву и гибели людей. Главное, что нужно делать – следить за развитием деформаций, это позволит прогнозировать выбросы метана и избежать трагедий. Поэтому на всех шахтах, где происходят выбросы метана, необходимо иметь подобные приборы.

Если взять цунами или волны-убийцы, то они опасны для рыбного хозяйства, марифермеров. Если с помощью искусственного интеллекта отслеживать появление микросейсм, то можно заранее предупреждать об опасности.

– Как часто бизнес и власти обращаются к ученым за помощью?

– Не так часто, как хотелось бы, хотя есть крупные и мелкие проекты, в которых мы могли бы помогать.

Взять хотя бы остров Русский. Сейчас там работают очистные сооружения, которые сбрасывают в бухту Новик очищенную пресную воду, это приводит к тому, что бухта опресняется, постепенно превращается в болото. Есть проект, по которому очистные планируется вывести дальше - в открытую часть моря. Но для этого нужно провести качественные долгосрочные наблюдения: какие течения возникают в определенных гидрологических слоях, в определенное время при определенных условиях, чтобы минимизировать экологические последствия.

Остров Русский, фото: shutterstock.com

В планах строительство на Русском аквапарка, гостиничного комплекса, но предусмотрен ли широкий пляж? Однажды я видел, как делают искусственный пляж. Никто не возит туда песок. Ученые проводят исследования, рассчитывая, как так называемые «краевые волны» формирует береговую структуру в конкретном месте. Измеряются периоды и амплитуда волн, на основе специальных вычислений перпендикулярно берегу строятся бетонные полосы. Буквально через два года волны приносит на берег песок и камни. И вот, вместо 5-метрового пляжа «за копейки» готов пляж шириной 30-50 метров.

Таких примеров, когда ученые могут сделать практические вещи для развития народного хозяйства, можно привести массу. И мы готовы этим заниматься.