Радиотелескопы помогут спутникам составить глобальную карту смещений коры
Ученые предложили объединить снимки спутников дистанционного зондирования Земли с данными радиотелескопов, что позволит создать глобальную карту смещений поверхности планеты с привязкой к надежной системе отсчета. Идея заключается в использовании высокой яркости телескопов на радарных изображениях, а также знания их координат в глобальной системе. В результате удастся интегрировать имеющуюся информацию в единый массив данных, пишут ученые в журнале Geophysical Research Letters.
Поверхность Земли постоянно модифицируется вследствие естественных и техногенных процессов, таких как землетрясения или добыча полезных ископаемых. Эти изменения можно отследить с помощью искусственных спутников, постоянно фиксирующих состояние поверхности в разных диапазонах. Однако проблема таких измерений заключается в привязке их координат к произвольным точкам, что не позволяет объединять снимки удаленных мест, например, разных континентов, для получения согласованных глобальных карт.
Основной инструмент слежения за высотой поверхности Земли — это интерферометрический радар с синтезированной апертурой, который позволяется получать данные с точностью до метра вне зависимости от погодных условий, освещенности и находящихся на поверхности объектов, таких как деревья. Этот способ похож на апертурный синтез, применяющийся в радиоастрономии, только в данном случае спутники сами являются источниками радиоволн, которые после отражения позволяют восстановить рельеф.
На данный момент существует обширная группировка спутников, исследующих Землю таким методом. В частности, этим занимаются аппараты программы «Коперник» Европейского космического агентства. Как правило, снимки частично пересекаются, а координаты отсчитываются от условного нуля, например, от усредненного уровня первого кадра. В результате можно создавать обширные карты, но разделенные водными просторами области не получится выровнять, так как рассеяние от воды быстро меняется.
Ученые из Австралии и Швеции во главе с Эми Паркер (Amy Parker) из Университета Кёртин предложили новое решение проблемы. Оно основано на включении в наблюдения спутников на регулярной основе наземных радиотелескопов, в особенности тех, что входят в глобальную систему интерферометрии со сверхдлинной базой. Это позволит использовать знание координат инструментов в глобальной системе координат для нормировки радарных карт. Однако это потребует внесения корректив в астрономические наблюдательные программы, так как телескопам придется время от времени наводиться на спутники, а не от них, как происходит сейчас.
Существующая система радиоинтерферометров включает около 30 инструментов, которые регулярно проводят совместные наблюдения. С помощью этих данных уже около 30 лет назад начала формироваться Международная небесная система координат, которая позволяет определить координаты всех участвующих в наблюдениях телескопов относительно нескольких сотен удаленных квазаров, собственные движения которых пренебрежимо малы.
Авторы протестировали предложение с помощью двух входящих в сеть радиотелескопов и пришли к выводу, что необходимые корректировки программ представляют собой умеренные изменения. Подключение всех имеющихся радиотелескопов позволит создавать глобальные карты деформаций материков и тектонических плит, что позволит оценить распределение и темп накопления механических напряжений. Это, в свою очередь, позволит значительно улучшить предсказания землетрясений.
Ранее предсказать землетрясение предложили при помощи грохота грузовых поездов, а ядерные испытания использовали для уточнения супервращение ядра Земли.
С их помощью ученые надеются подробнее исследовать подготовку сейсмических событий
Геофизики провели статистический анализ GPS-данных о смещении геодезических станций перед 90 крупными землетрясениями. Выяснилось, что за два часа до сейсмического толчка станции ускоренно перемещались в направлении, которое соответствовало модели предполагаемого медленного скольжения по разлому перед сейсмическим срывом. По мнению ученых, смещения отражают заключительную фазу подготовки землетрясения. Дальнейшие наблюдения на более плотной измерительной сети позволят отслеживать этот процесс на более ранних этапах и повысить эффективность оперативных прогнозов крупных землетрясений. Об исследовании сообщают две статьи (1, 2) в журнале Science. Надежно спрогнозировать землетрясение ― это значит четко указать время, место и магнитуду предстоящего сейсмического события. Наибольшую практическую ценность представляют краткосрочные (на период до нескольких суток) и оперативные (на ближайшие часы) прогнозы, но надежных методик для них в настоящее время не существует. Подробно почитать о трудностях в деле прогноза землетрясений можно в нашем материале «Зона сейсмического риска». Некоторые исследователи полагают, что добиться одновременно точности и достоверности, необходимых в краткосрочном прогнозировании, принципиально невозможно. Причиной тому ― неэффективность осреднений из-за фрактального строения геологической среды и динамический хаос, присущий ее поведению и обусловленный чувствительностью к начальным условиям, параметрам и текущей обстановке. Тем не менее, попытки построения сейсмотектонических моделей, которые позволили бы повысить точность прогнозирования, продолжаются. В них все большую роль ученые отводят фазе перехода от медленного и стабильного асейсмического скольжения по разлому, при котором не происходит разрушения геосреды, к динамическому срыву, вызывающему землетрясение. Тектонический разлом в таких моделях представляется как зона разупрочнения с повышенной ползучестью горных пород, и разрядка их напряженно-деформированного состояния на начальном этапе происходит за счет медленных процессов. Эти так называемые «тихие землетрясения» сопровождаются излучением низкоамплитудных и низкочастотных сейсмических волн и могут быть связаны с повышенной микросейсмичностью. Однако ее практически невозможно отделить от фона и интерпретировать именно как проявление переходной фазы, то есть как серию форшоков ― предвестников землетрясения. Французские геофизики Кантен Блетери (Quentin Bletery) и Жан-Матье Ноке (Jean-Mathieu Nocquet) из Университета Лазурного берега попытались выявить переходную фазу с помощью геодезических GPS-измерений. Для статистического анализа они использовали данные о горизонтальном смещении 3026 геодезических станций в течение двух суток перед крупными сейсмическими событиями. В исследование вошли данные о зарегистрированных в разных регионах Земли 90 землетрясениях магнитудой 7,0 и выше (в том числе Великое восточно-японское землетрясение, или Тохоку, магнитудой 9,0 в марте 2011 года). Рассматривались станции, расположенные в радиусе до 500 километров от эпицентра. Для каждой из них данные об изменении положения образовали временной ряд с пятиминутным шагом. Блетери и Ноке рассчитали величины горизонтальных смещений, которые должны были произойти на каждом шаге из-за медленного асейсмического скольжения. При моделировании исследователи учитывали глубину гипоцентров, магнитуду и геодинамические обстановки в районах землетрясений. Анализ показал, что в сдвигах геодезических станций приблизительно за два часа до землетрясений появилась тенденция к экспоненциальному ускорению. Она проявлялась тем четче, чем ближе располагались станции к эпицентру надвигающегося землетрясения и чем гуще была их сеть. Такая картина сдвигов сложилась за счет данных, относящихся к районам 52 сейсмических событий из 90 (около 58 процентов) и собранных на 2235 станциях (почти 74 процента). Вызвавшее эти сдвиги медленное скольжение должно было создать средний суммарный момент силы 3,9 × 1018 ньютон-метров, что соответствует количеству энергии, выделяющемуся при землетрясении магнитудой 6,3. Исследуя глобальный стек сдвигов, Блетери и Ноке обнаружили, что в течение 48-часового промежутка времени перед землетрясением положение станций слабо колеблется вдоль предполагаемой линии скольжения с периодом около 12,9 часа, что очень близко к периоду лунного полусуточного прилива (12,4 часа). Ученые предположили, что приливное воздействие могло отразиться на режиме скольжения, а при достижении критической стадии ― даже послужить триггером динамического срыва. Блетери и Ноке полагают, что эффект ускоренного сдвига поверхности непосредственно перед землетрясением ― это лишь проявление заключительной фазы медленного скольжения. Выделить его из общего фона на более ранних этапах пока не представляется возможным, так же как и отследить подготовку отдельного землетрясения: четкая картина ее видна лишь при суммировании результатов. Однако, как отмечает автор второй статьи Роланд Бюргманн (Roland Bürgmann) из Калифорнийского университета в Беркли, расширение геодезических наблюдений и уплотнение сети станций должно существенно дополнить данные сейсмического мониторинга. Ученые смогут подробнее изучить роль медленного скольжения в подготовке крупных землетрясений и повысить надежность краткосрочного и оперативного прогнозирования. Ранее N + 1 сообщал о том, как ученые измерили колебания скорости сейсмических волн, связанные с приливными деформациями и выделили в катастрофическом землетрясении IV века на Крите два события. А еще мы рассказывали, как геофизики приспособили моделирование для прогноза техногенных землетрясений.