Чи зможемо ми колись передбачати землетруси

Вони стаються раптово і без попередження. Два руйнівні землетруси, які вразили південно-східну Туреччину та північну Сирію, забрали тисячі життів і залишили багатьох людей пораненими або без даху над головою. Коли рано вранці 6 лютого стався перший землетрус магнітудою 7,8, більшість людей спали вдома.

Першою ознакою того, що насувається велика катастрофа, стали раптові спалахи активності на чутливих датчиках сейсмологів по всьому світу, коли сейсмічні хвилі, викликані першим поштовхом, прокотилися по всій земній кулі.

Через кілька годин стався другий потужний землетрус магнітудою 7,5.

Через те, що епіцентр обох землетрусів був відносно близько до поверхні, інтенсивність поштовхів була дуже сильною.

Оскільки на постраждалій території продовжували виникати залишкові підземні поштовхи, експерти геологічної служби США попередили, що місцеві жителі й рятувальники, що вирушили до регіону на допомогу, стикаються зі значними ризиками зсувів ґрунту.

Але поки увесь світ надає допомогу постраждалим від катастрофи, дехто ставить питання, чому ми не змогли її передбачити.

Система розломів Східної Анатолії, де сталися землетруси, є частиною тектонічного "потрійного вузла", де стикаються три тектонічні плити – Анатолійська, Аравійська та Африканська.

З 1970 року в цьому регіоні сталися лише три землетруси магнітудою понад 6, і багато геологів вважали, що сильний землетрус тут є неминучим.

Тож чому вони не змогли його передбачити?

На практиці наука про передбачення землетрусів є дуже складною. Після того, як землетрус уже стався, у сейсмічних даних часто можна виявити дані, які про нього сигналізують, однак знати наперед, на що слід звернути увагу, і використовувати це для прогнозування - набагато складніше.

"Коли ми симулюємо землетруси в лабораторії, ми бачимо, як відбуваються всі ці невеликі зсуви – першими з’являються окремі тріщини та дефекти, – каже Кріс Мароне, професор геофізичних наук Римського університету Сапіенца в Італії та Університету Пенсільванії у США. - Але в природі є багато невизначеності щодо того, чому ми часто не бачимо поштовхів або ознак того, що буде великий землетрус".

Геологи намагаються використовувати сучасні наукові методи для прогнозування землетрусів принаймні з 1960-х років, але переважно без успіху.

За словами Мароне, головна причина цього полягає в складності систем розломів, які перетинають земну кулю. Існує також багато сейсмічного шуму – Земля постійно бурчить і гуркоче, що в поєднанні з антропогенним шумом транспорту, будівельних робіт і повсякденного життя ускладнює розпізнавання чітких сигналів.

За даними геологічної служби Сполучених Штатів, для створення дійсно корисного прогнозу землетрусу потрібні три речі: місце, де він станеться, коли він станеться та наскільки великим він буде. Поки що, кажуть у службі, ніхто не може цього зробити з упевненістю.

Натомість геологи створюють так звані "мапи небезпеки", де вони обчислюють ймовірність землетрусу протягом кількох років. Хоча це може певним чином допомогти - наприклад, з покращенням будівельних стандартів у зонах найбільшого ризику - такі передбачення є недостатніми для раннього попередження людей, щоб вони могли евакуюватись або сховатися.

І далеко не кожна країна, розташована в зоні землетрусів, може дозволити собі інфраструктуру, яка б витримувала сильні поштовхи.

"У Туреччині та Сирії було багато факторів, через які будівлі були в такому стані, що дуже легко зруйнувалися, - каже Мароне. - У багатьох західних країнах у 1970-х і 1980-х роках були впроваджені норми сейсмічного підсилення. Але будівництво та модернізація будівель дорого коштує".

Тому вчені шукають способи зробити прогнози землетрусів точнішими. Окрім сейсмічних сигналів, дослідники шукали підказки у найрізноманітніших місцях – від поведінки тварин до електричних збурень у верхніх шарах атмосфери Землі.

Однак останнім часом зростає ажіотаж навколо можливостей штучного інтелекту - адже він може виявляти найменші сигнали, які люди пропускають. Алгоритми машинного навчання можуть аналізувати величезні обсяги даних про минулі землетруси, щоб відшукати закономірності, які можна використати для прогнозування майбутніх.

"Такий спосіб передбачення на основі машинного навчання викликав великий інтерес", — каже Мароне. Він та його колеги протягом останніх п’яти років розробляли алгоритми, здатні виявляти зсуви розломів у землетрусах, змодельованих у лабораторії. Використовуючи гранітні блоки розміром з кулак, вони можуть відтворити накопичення напруги та тертя, які можуть виникнути в розломі, створюючи таким чином так звані "лабораторні землетруси".

"Коли розлом потроху розколюється, через нього проходять пружні хвилі - каже Мароне. - Ми можемо передбачити, коли станеться зсув, у лабораторних умовах, ґрунтуючись на цих змінах пружних властивостей і шумі від попередніх поштовхів у самій зоні розлому. Ми хотіли б зробити це в реальних умовах, але поки що не досягли цього".

Адаптувати цю прогностичну здатність штучного інтелекту до більшого і складнішого середовища реальних зон розломів набагато складніше.

"Було кілька випадків, коли це вдалося зробити постфактум, що свідчить про те, що це може спрацювати, - говорить Мароне. - Але великого прориву досі не було".

Вчені з Китаю, наприклад, намагалися відшукати коливання в електрично заряджених частинках в іоносфері Землі за кілька днів до землетрусів, спричинених змінами магнітного поля над зонами розломів. Команда вчених на чолі з Джин Лю з інституту прогнозування землетрусів у Пекіні заявила, що вони змогли побачити збурення в атмосферних електронах над епіцентром землетрусу, який стався у Каліфорнії на початку квітня 2010 року, за 10 днів до того, як він відбувся.

Інша команда, що базується в Ізраїлі, нещодавно заявила, що за допомогою машинного навчання може прогнозувати сильні землетруси за 48 годин з точністю 83% - завдяки тому, що вони вивчили зміни електронів в іоносфері за останні 20 років.

Китай вочевидь покладає великі надії на ці підказки, що можна відшукати в іоносфері. У 2018 році він запустив китайський сейсмічно-електромагнітний супутник (CSES) для моніторингу електричних аномалій в іоносфері Землі. Минулого року вчені з центру сейсмологічної мережі Китаю в Пекіні стверджували, що виявили падіння щільності електронів в іоносфері за 15 днів до землетрусів, які вразили материкову частину Китаю в травні 2021 року та січні 2022 року.

"Передача енергії може відбуватися між літосферою та двома верхніми шарами – атмосферою та іоносферою", – говорить Мей Лі, дослідниця, що працює в центрі сейсмологічної мережі Китаю. Але вона каже, що механізм того, як саме це відбувається, досі залишається не до кінця зрозумілим. І попереджає, що навіть із супутниковими даними їхні висновки ще далекі від реальної можливості передбачити майбутній землетрус.

"Ми не можемо вказати точне місце, де відбудеться майбутня подія", - кажуть дослідники у статті.

Лі також вказує на іншу складність – сильні землетруси можуть викликати зміни в іоносфері далеко від їхнього епіцентру, що ускладнює підтвердження точного місця.

"Іоносферна аномалія може з'явитися навколо епіцентру землетрусу, а також у відповідній магнітній точці в іншій півкулі, що ускладнює визначення місця майбутньої події", - каже вона.

Водночас інші дослідники покладають надії на інші сигнали. Науковці з Японії стверджують, що для прогнозів можуть використовувати зміни водяної пари над зонами землетрусів.

Дослідження показують, що ці прогнози мають точність 70%, хоча вони можуть лише повідомити, що землетрус може статися в якийсь момент протягом наступного місяця. Інші вчені намагалися використовувати дрібні коливання земної гравітації, які можуть виникнути перед землетрусом.

Але, попри всі зі дослідження, ніхто так і не зміг успішно передбачити, де і коли станеться землетрус.

"Ми просто не маємо інфраструктури, необхідної для моніторингу, — каже Мароне. - Хто буде вкладати 100 мільйонів доларів у встановлення таких сейсмометрів, як ми використовуємо в лабораторії для моніторингу розлому? Ми знаємо, як передбачити землетруси в лабораторії, але ми не знаємо, чи це спрацює для реальних розломів. Східно-Анатолійський розлом, наприклад, розташований в складному регіоні – це не одна проста площина розломів, а купа поєднаних між собою речей".

І навіть якщо буде можливість робити кращі прогнози, залишається питання, що робити з цією інформацією. Поки точність прогнозів не підвищиться, евакуація цілих міст або прохання людей триматися подалі від будівель у зоні ризику можуть дорого коштувати у разі помилки. Але у майбутньому це може змінитися.

"Вже вдається заздалегідь передбачити великі погодні явища з певною точністю", - каже Мароне. Це дозволяє урядовим установам готувати екстрене реагування на такі події, як урагани, і видавати попередження, які можуть допомогти захистити людей. Але до того, як щось подібне стане можливим для землетрусів, ще мине багато років, каже Мароне.

"Наразі ми ще не наблизилися до цього", - каже вчений.

Тим часом використання штучного інтелекту має великий потенціал у найближчій перспективі - щодо подій, що відбуваються відразу після землетрусу.

Дослідники з Університету Тохоку та Університету Реньмінь у Китаї розробляють інструменти, які використовують ШІ для класифікації шкоди, спричиненої стихійними лихами, на основі супутникових зображень, щоб влада могла відправляти рятувальні команди туди, де вони найбільше потрібні.

Вони використовують алгоритми для оцінки пошкоджень будівель і ідентифікації споруд, які були повністю зруйновані або є потенційно небезпечними.

Також є надія, що алгоритми машинного навчання можуть допомогти убезпечити рятувальників та уцілілих після землетрусів, допомагаючи краще передбачити повторні поштовхи, що виникають після сильного землетрусу. Вони можуть становити величезні ризики, оскільки можуть зруйнувати будівлі, які вистояли, але зазнали пошкоджень внаслідок початкового землетрусу.

Дослідники з Гарвардського університету, проводять дослідження з використанням машинного навчання для вивчення моделей підземних поштовхів у надії, що їх можна передбачити.

"Ми добре розуміємо, що відбувається після великого землетрусу та чому виникають повторні поштовхи, - каже Мароне. - Але ми знаємо це не до кінця. Ми, як наукова спільнота, тепер краще розуміємо, чи менші поштовхи можуть призвести до ще одного більшого, але завжди є невизначеність".

"Не потрібно бути дуже обізнаним у землетрусах та підземних поштовхах, щоб зрозуміти, що те, що трапилося в Туреччині - це дуже незвичайна ситуація, коли два дуже сильні землетруси відбулися близько один від одного. Другий був спровокований першим, але вони обидва були великими землетрусами", - додає вчений.

Хочете отримувати головні новини в месенджер? Підписуйтеся на наш Telegram або Viber!