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.
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.
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.
Трутнев отметил снижение инвестактивности в ряде регионов ДФО