Предсказание цунами

Волны-убийцы рождаются вдали от берега. Там их высота несколько сантиметров, но движутся они со скоростью реактивного самолета. У берега, на мелкой воде, волны замедляются и растут, иногда достигая высоты в десятки метров, и превращаются в цунами, которое разрушает все на своем пути и уносит человеческие жизни. В 2011 году в Японии произошло девятибалльное землетрясение у восточного побережья острова Хонсю, породившее небывалое цунами — волну высотой более 40 метров. Его жертвами стали шестнадцать тысяч человек.

Службы раннего оповещения недооценили силу подземных толчков, поэтому не смогли предсказать мощь явления. Современные системы предупреждения обычно использует данные о сейсмических колебаниях, чтобы по их силе оценить параметры надвигающихся волн. Есть и более прямые и затратные методы, например развертывание в океане сети буев с радиопередатчиками.

Жизнь людей в буквальном смысле требует более надежных предсказаний. Новый принцип для создания систем предупреждения предложили ученые Университетского колледжа Лондона, Института Алана Тьюринга и двух японских университетов. Его суть — применение для прогноза спутников глобального позиционирования (GPS). Работа выполнена группой, руководимой доктором Канаи Рюичи (Ryuichi Kanai) и курируемой профессором Сержем Гилласом (Serge Guillas).

Авторы проанализировали атмосферные явления во время землетрясения 2011 года и выяснили, что порожденные землетрясением океанические волны вызвали появление звуковых волн в атмосфере. Они распространились вверх, через семь минут достигли трехсоткилометровой высоты ионосферы и вызвали перемешивание ее плазмы. Это изменило динамику процессов рождения и рекомбинации в ней ионов. Усиление рекомбинации снизило концентрацию свободных электронов, а значит, модифицировало передачу радиоволн, которые спутники через ионосферу посылают к наземным станциям GPS.  На некоторых частотах радиоволны изменили свою скорость или направление распространения.

Ученые предложили статистический метод, позволяющий по характеристикам радиоволн определять распределение электронной плотности над регионом зарождения цунами. Отклонения в сигналах спутников, даже если они неравномерно распределены в пространстве, можно надежно обработать за десять минут. Метод не требует равномерных по пространству измерений. Данные о распределении электронов и законы физики плазмы дают возможность экстраполировать результаты измерений и оценить электронные концентрации над регионами, где измерений не было.

Геофизики показали, что в 2011 году метод мог бы выдать точное предупреждение за десять минут до прихода волн к побережью Японии. Это спасло бы многие жизни. Метод универсален, его можно применять для предупреждения о цунами, вызванного не только землетрясениями, но и подводными оползнями или извержениями вулканов.

Для работы японской системы GPS предупреждения нет надобности в информации от всех 1200 наземных станций страны, которые принимают и анализируют волны международной спутниковой группировки, искаженные атмосферой. Достаточно лишь данных шести десятков станций. Эта особенность позволит без затрат развернуть системы раннего предупреждения даже в небогатых странах, например островных государствах Тихого океана.

Сейчас ученые работают над увеличением пространственной детализации и амплитудной точности метода. Если, как это бывает, цунами придет очень быстро, то метод все равно полезен для предсказания второго и третьего ударов стихии и определения времени окончания цунами.

(Natural Hazards and Earth System Sciences, 22, 3, 849, 2022 - полный текст)