Осенью 2010 года в Новой Зеландии, на одном из маленьких островных городов Крайстчерч, был собор в английском стиле на главной площади. Он прекрасно смотрелся на фоне усаженной деревьями реки Эйвон и гор поодаль. В соборе можно было взять на память послание мира и прицепить, например, дома на пробковую доску. Спустя три месяца собор Крайстчерча разрушился и развалился, его шпиль рухнул на землю. Город был буквально уничтожен, 185 человек погибли вследствие землетрясения магнитудой 6,3.

Увы, землетрясение Крайстчерч 2011 года лишь один пример из десятков, которые потрясли мир в последние годы. И многие из них были намного разрушительнее. Самым катастрофическим, пожалуй, было землетрясение силой в 9,0 баллов, которое произошло на севере Японии в марте 2011 года и привело к катастрофе на ядерном реакторе Фукусимы. В прошлом году в Непале 7,8-бальное землетрясение разрушило город Катманду и унесло жизни 9000 человек. 7,0-бальное землетрясение в Гаити в 2010 году погубило 220 000 человек и оставило без жилья еще 64 000.

Хаос, который сеют движения земной коры, заставляет нас чувствовать себя крошечными среди обширностей пространства и времени; землетрясения меняют нашу жизнь, но для планеты это лишь небольшие изменения положения тектонических плит, непрерывный процесс на протяжении миллионов лет. Самое неприятное во всем этом то, что мы практически ничего не можем сделать, чтобы совладать с землетрясением - разве что с его последствиями.

Но что, если бы мы могли сделать больше? Что, если бы мы знали, когда и где очередное землетрясение решит потревожить город, и у нас было время подготовиться? Ученые работают над методами прогнозирования землетрясений, которые сочетают физику полупроводников с искусственным интеллектом. Компонент физики известен как механизм сцепления литосферы-атмосферы-ионосферы.

Чего-чего?

Всем известно, что атмосфера - это большой пузырь кислорода и других газов вокруг Земли (и он позволяет нам дышать). Литосфера - это твердый наружный слой планеты, состоящий из земной коры и верхней мантии (по которому мы ходим). Ионосфера - это верхний слой атмосферы, над тропосферой и стратосферой, перемежающися с мезосферой и термосферой. Возможно, вы никогда о ней не слышали, но на самом деле она очень важна для нас.

Солнечное излучение в ионосфере передает так много энергии атомам, что их электроны готовы отделяться. Эти электроны ведут себя как свободные частицы, и атомы становятся ионами, принимая положительный заряд. Помимо того, что ионосфера выступает важной частью механизма прогнозирования землетрясений, о котором мы говорим, ионосфера важна, поскольку этот слой атмосферы отражает электромагнитные волны обратно на Землю и позволяет работать радиосвязи. Ионосфера уменьшается и расширяется в зависимости от количества излучения, которое получает от солнца, поэтому ионосфера в определенной области будет всегда больше днем и меньше ночью.

И как это связано с землетрясениями?

За несколько дней до землетрясения почва под напряжением выпускает больше газов, особенно бесцветный и не пахнущий ничем газ радон. Радон увеличивает степень ионизации атомов в ионосфере, и получившиеся ионы притягивают молекулы воды. Этот крупномасштабный процесс конденсации выпускает тепло, которое ученые могут обнаруживать в форме инфракрасного излучения.

В апреле 2015 года землетрясение в Непале было ретроспективно проанализировано на предмет данных сцепления литосферы-атмосферы-ионосферы. Ученые обнаружили всплеск инфракрасного излучения в ионосфере над эпицентром землетрясения за три дня до того, как это произошло, и похожие всплески за восемь дней до афтершока. Над Японией была повышенная ионизация при землетрясении Тохоку в 2011 году и всплеск радиоволновых выбросов близ Гаити перед землетрясением 2010 года.

Использование связи литосферы-атмосферы-ионосферы - пока очень молодая наука. Чтобы полагаться на этот метод или использовать его в качестве системы предупреждения, нужно больше данных. Как часто происходят всплески ионосферного излучения без последующего землетрясения? Почему излучение иногда достигает своего пика за три дня до землетрясение, а иногда и за пять-шесть дней? Ученым нужно изучить данные сотен землетрясений, чтобы разработать надежную модель.

Добавим искусственный интеллект

Используя силу машинного обучения, мы можем получить надежную модель прогнозирования землетрясений довольно скоро. Необходимо собрать достаточно исторических данных, связывающих ионосферную активность с землетрясениями, и на их основе разработать шаблоны, которые можно будет сопоставлять с данными в режиме реального времени. Огромный объем данных, которые необходимо проанализировать, было невозможно обуздать до появления современного распознавания образов. Суперкомпьютеры вроде IBM Watson просеивают терабайты данных в кратчайший срок, за две минуты делая работу, на которую у людей ушли бы недели.

Компании вроде GeoCosmo и Terra Seismic работают над алгоритмами прогнозирования землетрясений, которые интегрируют данные связи литосферы-атмосферы-ионосферы с соответствующими показателями вроде изменения уровня грунтовых вод и проводимости почвы. GeoCosmo точно спрогнозировала двадцать различных землетрясений в Северной и Южной Америках за семь дней до их появления. Компания интегрирует приложение для телефонов в свою систему; Cellphone Sensor Project отправляет данные, которые собираются магнитометрами телефонов, составляя, таким образом, карту силы магнитных полей вокруг. Компания ставит задачу использовать миллиард магнитометров в мобильных телефонах в самых сейсмически активных регионах мира.

Надежда на будущее

Когда прогремело землетрясение Тохоку, жители Токио получили минутное предупреждение по системам предупреждения о землетрясениях в Японии. Высокоскоростные поезда и заводские сборочные линии были остановлены, а людей из зданий эвакуировали. Но число погибших, по данным Национального полицейского агентства Японии, дошло до 15 891.

На сколько можно было бы уменьшить это число, если бы японцы получили три дня на подготовку, а не одну минуту? Конечно, в таком случае большая часть людей погибла бы от цунами, и даже если мы научимся предсказывать землетрясения, мы не сможем предсказать все его побочные продукты. Но надежда на спасение большого числа жизней есть.

Как говорит председатель GeoCosmo: «Полная энергия, выделившаяся во время землетрясения магнитудой 9,0, эквивалентна взрыву двух миллионов атомных бомб типа Хиросимы одновременно. Мне кажется странным с точки зрения физики, что процесс, высвобождающий так много энергии в мгновение ока, никак себя не выдаст и не сможет быть распознан до самого события».