Геофизика - одна из тех научных областей, от которых люди всегда ждали практический результат. Слишком дорого приходится платить за внезапность разбушевавшихся огненных, подземных или водных стихий - будь то вулканы, землетрясения или цунами. За последние полвека именно в геофизики были совершены необыкновенные прорывы, когда, например, прогноз извержения вулканов из научной проблемы превратился в решаемую экономическую задачу. Однако, как уверяет один из немногих людей, кто спускался в кратер действующего вулкана, директор Института вулканологии и геодинамики Генрих Семенович Штейнберг, до сих пор Земля таит в себе еще не мало опасностей и сюрпризов. Очень приближенные знания о строении Земли не позволяют прогнозировать землетрясения. Об этом подробнее он рассказал в первой части своей беседы с Ольгой Орловой.
В свое время вулканолог был одной из самых опасных научных профессий. А как сейчас?
Конечно, элемент риска есть. Но, признаюсь, когда я еду на машине по Москве, чувствую себя в большей опасности, чем когда работаю на вулкане. Скорее, вулканолог – необычная профессия. Но ведь обывателю кажется, что и профессии пожарника, пилота, матроса опасны, а для человека, который работает ежедневно на пожарах, каждую неделю 15-20 часов в полетах и по несколько месяцев в году в море это привычно. Так и в вулканологии. Тем более, сейчас, когда большая часть работ по мониторингу вулканов ведется автоматизированной телеметрической аппаратурой. И, соответственно, проблема прогноза извержений и степени риска при работах на вулканах не столько научная, сколько инженерно-экономическая: если у вас есть средства на создание телеметрической сети для мониторинга состояния вулканов – вы получите надежный прогноз с минимальным риском, а если нет – нехватку средств придется компенсировать работой «вручную», а значит повышенным риском…
Все ли у нас в России вулканы под контролем?
Нет, не все российские вулканы оборудованы системами мониторинга. Правда, у нас проблема вулканической опасности не стоит так остро, как, например, в Японии, Италии, на Филиппинах, в Индонезии или в Штатах на Аляске и Гавайях. Наши вулканы расположены в малоосвоенных территориях Камчатки и Курильских островов.
Насколько далеко от вулканов там живут люди?
На Камчатке расстоянии от вулкана Авачинский до города Петропавловска - 24 километра. Все остальные камчатские вулканы находятся от поселков подальше. На Курилах же опасность выше: острова небольшие и узкие – даже на самых крупных редко, где их ширина превышает 20 километров. И, соответственно, практически все населенные пункты там расположены в зонах катастрофической (удаление менее 9 километров) или высокой (удаление менее 15 километров) вулканической опасности. Но Россия всегда жила по принципу «пока гром не грянет, мужик не перекрестится». И, значит, чтобы власти вплотную занялись прогнозом извержений, нужен серьезный несчастный случай. А то, что в 1973 г. при извержении Тяти (о.Кунашир) был уничтожен поселок Круглово и повреждена застава Урвитово, никто не помнит, тем более что оба объекта были военными и информация об этом была закрыта… Первые попытки создать систему мониторинга вулканов на южных Курилах относятся к концу 80-х – началу 90-х гг. А на Камчатке такие работы были начаты раньше.
Расскажите, как она создавалась.
Когда я начал заниматься вулканологией (в 1959 г.) - предсказывать извержения вулканов еще никто не умел. Но уже в начале 70-х годов некоторые результаты были получены. Однако обеспечить подготовку регулярных прогнозов и информировать администрацию области и население, как это делает, например, гидрометслужба, не удавалось. Впервые открытая информация о возможном извержении была дана в 1975 г., когда начались слабые землетрясения в районе вулкана Толбачик. Понимая, что дело идет к извержению, мы уговорили заведующего лабораторией Павла Ивановича Токарева написать в газете небольшую заметку о возможном извержении Толбачика, который находился на удалении от поселков и опасности для населения не представлял. Извержение началось 5 июля, через неделю после публикации. Это был первый случай доведения прогноза до общественности.
Когда прогнозы стали делаться систематически ?
С 1991 года на Курилах мы стали регулярно давать прогнозы ожидаемого состояния вулканов на предстоящий месяц или квартал на островах Итуруп и Кунашир. В тексте прогноза, рассылаемого в 55 адресов, включая местные газеты, приводилось краткое описание состояния вулканов, а в конце давалось заключение: «…С вероятностью 90-95 % в период с…. по… извержений, опасных для населения островов … не произойдет. Надежность прогноза … %. ». Надежность прогноза, в зависимости от объема использованного материала, обычно составляла 80 - 95%.
Почему так много времени прошло от научной разработки до внедрения?
В свое время я долго доказывал партийным и советским руководителям необходимость создания подобной службы. И вот, когда уже устал ходить по обкому, райкомам, исполкомам написал статью и отдал ее в газету «Советский Сахалин». 25 апреля ее опубликовали, дав ей название «До извержения осталось….»… Через неделю, 3 мая 1989 г. началось извержение вулкана Иван Грозный на острове Итуруп. В поселке в восьми километрах от вулкана находился штаб дивизии, полк ПВО и др. воинские части. Извержение не было сильным, но погода стояла идеальная, видимость и слышимость были отличные. Выбросы достигали высоты 2-3 км над кратером, и вулкан грохотал так, что произвел на всех «грозное» впечатление. В Курильске, в 22 километрах от вулкана, извержение увидели и услышали: началась паника - народ побежал с острова. Представители Сахалинского обкома тут же разыскали меня в Москве, вызвали на Итуруп, а следом нашлись и деньги на создание в Южно-Сахалинске института для контроля состояния вулканов и прогноза извержений. В зоне нашей ответственности находятся два вулканоопасных острова – Кунашир и Итуруп, на которых расположены десять действующих вулканов. Базы института находятся на этих островах.
В советское время вы были «невыездной», но вы ведь знали, чем занимаются зарубежные коллеги. Кто решил проблему прогнозирования извержений первый?
В мире это научились делать почти одновременно. В первой половине ХХ века наиболее детально этой проблемой занимались японцы и американцы. В России подобные работы велись Лаборатории вулканологии АН СССР и Камчатской геолого-геофизической обсерватории Сибирского отделения АН СССР, на базе которых мой учитель член-корр АН СССР Борис Иванович Пийп впоследствии создал Институт вулканологии СО АН СССР (теперь Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН). Думаю, что Б.И.Пийп и сегодня самая светлая и значимая фигура в истории отечественной вулканологии. Наиболее эффективным методом прогноза извержений - сейсмическим – в институте занималась лаборатория П.И Токарева.
В чем заключается этот метод?
Основа метода - контроль за сейсмической активностью вулкана. Например, под вулканом все чаще и чаще начинают происходить небольшие землетрясения. Их очаги постепенно смещаются к поверхности вулкана. Это достаточно характерный признак подготовки извержения. Изменяется состав газов, их температура, меняется электрическое поле, начинаются деформации поверхности в районе вулкана. Активизация вулкана может идти достаточно интенсивно, но извержение может и не произойти. Фактически нет ни одного детерминированного признака, по которому можно однозначно дать прогноз времени и места предстоящего извержения, но есть совокупность признаков, которые позволяют сделать это достаточно надежно. Игнорирование «второстепенных» признаков может привести к ошибкам. Вот так, например, в 1991 году, полагаясь на данные телеметрической сейсмической системы и не проводя измерений по остальным параметрам «проспали» извержение Авачинского вулкана. Предполагали, что ввиду длительного перерыва между извержениями (46 лет, максимальный за исторический период) ему будет предшествовать интенсивная сейсмическая подготовка, а она оказалась очень слабой. А с учетом всех данных (температура, расход и состав газов, деформации и др.) наверняка, можно было дать точный прогноз.
Прогноз извержений часть более общей «проблемы распознавания образов». Вы смотрите на фотоснимок и безошибочно узнаете знакомого вам человека. Но если спросить, по какому признаку вы его узнали, то вам будет трудно выделить характерный признак или сформулировать принцип распознавания. Формализовать свой метод распознавания вы не можете, хотя в голове у вас он работает: с его помощью вы с 20-30 метров уверенно отличаете мужчину от женщины, хотя ни первичных, ни вторичных половых признаков не видите. Так и прогноз извержения это распознавание образа: много информации, но ни один признак (как отпечаток пальца или структура ДНК) не является однозначно определяющим.
Вулканы похожи друг на друга?
Как две женщины: есть общие параметры, но у каждой свой характер. Существуют характеристики вулканов по составу, строению, по типам активности. Но у каждого вулкана своя специфика и поэтому для прогноза извержений конкретного вулкана строят свой алгоритм распознавания. Так, например, очень важные характеристики дают описания предыдущих извержений. Поэтому для вулкана в Италии алгоритм прогноза построить легче: там вулканы наблюдаются две тысячи лет и зафиксировано много информации. Но для извержений на Курилах таких описаний почти нет, а не зная истории вулкана, давать прогноз значительно сложнее.
Вы спускались в кратер действующего вулкана?
Да, много раз. Первый раз это было в 1961 г. в кратер Авачи. Это очень глубокий кратер, 242 метра длиной и с крутыми стенками… Самый трудный спуск, пожалуй, был в кратер вулкана Сьеро-Негро в Никарагуа, в 1992 году в период извержения. Город Леон, находившийся в двадцати километрах от вулкана, оказался тогда в тяжелом положении, поскольку сезонные ветры дуют строго в одном направлении: от вулкана на город. Ветер быстро наносил слои пепла и вулканического песка в 10-15 см на крыши домов, отчего они рушились. Быстро засыпались улицы, а через 2-3 недели начинался сезон дождей. Власти города боялись не успеть убрать пепел с улиц, а если бы он попал с дождевыми водами в канализацию, город бы затопило, и это было бы катастрофой. А вулкан вел себя так: три дня идет извержение, потом неделю – молчание; неделю активность, а затем неделя покоя. Слетелись вулканологи со всего мира – из Европы, из Америки; мы прилетели позже всех. Накануне меня вызвали в Комитет по чрезвычайным ситуациям и спрашивают: «Чем может кончиться это извержение?» А я знал столько же, сколько и руководство - по картинке в телевизоре. «Чем это может кончиться? – отвечаю, - это как у врача спросить, чем может кончиться инфаркт? Лететь надо и смотреть».
Дали мне двух человек в команду - Юрия Тарана и Юрия Дубика - и отправили в Никарагуа. Как прилетели, сразу попросил съемку предыдущих фаз извержения, а через два дня поехали к вулкану. А до того подошел ко мне американский вулканолог Стэнли Вильямс и попросил взять с собой. Я говорю: «Так вы же две недели здесь сидите». И тут выясняется, что ближе, чем на шесть километров к вулкану никто не походил: цель поездки у них – оказание гуманитарно-научной помощи, а на вулкан – это риск… Взял я его на кратере с нами работать. А я в кратер спустился и собрал образцы самых последних выбросов. Образцы были массивные, без пузырьков, т.е. газа в них, практически, не было. А если кончился газ, значит, материала для взрывов нет. Потом мы провели облет вулкана, и я попросил у вице-премьера дать нам еще три дня работы на кратере. Но тут ко мне обратился министр науки и экономики: «Доктор Штейнберг, один день чрезвычайного положения стоит больше четырех миллионов долларов. Нельзя ли ускорить подготовку прогноза дальнейшего состояния вулкана?» Мы просидели всю ночь, проанализировали данные по всем параметрам и дали заключение: «Эксплозивная (взрывная) фаза извержения закончилась: взрывов с выбросом обломков и пепла не будет, однако, возможно излияние лавового потока». Мы рекомендовали отменить режим чрезвычайного положения и вернуть эвакуированное население, но предложили оставить в районе вулкана временную сейсмическую станцию для дополнительного контроля состояния вулкана. Прогноз оправдался: взрывов с выбросом пепла и обломков больше не было, наши рекомендации по отмене ЧП и возвращению населения были выполнены.
А лава разве не представляет собой опасности?
Излияние лавого потока представляет меньшую опасность, чем это кажется. Температура лавы составляет 1000-1200 градусов, и она действительно сжигает все живое. Но, во-первых, направление лавового потомка предсказуемо - он не пойдет в гору, а будет течь по руслу, которое, зная точку истечения лав, можно определить очень точно. Во-вторых, самые быстрые лавовые потоки текут со скоростью около 7 километров в час, т.е. не более 2 м/сек. От такого потока можно уйти быстрым шагом. Во время извержения люди гибнут не под лавовыми, а под пирокластическими потоками. Это насыщенные газами песчано-пепловые выбросы, которые, падая на склоны вулкана катятся по ним, как лавина, движущаяся на воздушной подушке из газов, скорость которой может достигать и превышать сто километров в час (около 30 м/сек). Такой поток может преодолевать вертикальные препятствия высотой в десятки метров. Кроме того, обычно перед ним движется газовая волна с температурой в сотни градусов, называемая «палящей тучей». И когда такая туча и пирокластический поток прокатываются через поселок, то после них ничего живого не остается, хотя за 20-40 секунд поселок не успевает загореться. Но человеку и животным в такой волне достаточно одного вздоха, чтобы умереть. Поэтому во время гибели Помпеи самым страшным явлением было не извержение лавы, как думают многие, а именно палящая туча, в которой и погибло население города, засыпанного затем отложениями пирокластических потоков и пепловых выбросов.
Если проблема прогнозирования в научном плане решена, то какие важнейшие задачи сейчас перед вулканологами?
Прежде всего осталась фундаментальная задача – глобальное строение земли. И вулканология, как часть геофизики, должна помогать эту задачу решить. Ведь мы о Земле знаем меньше, чем о космосе.
Чего мы не знаем о строении Земли?
Подробно мы знаем только про самые верхние 10-20 километров земной коры. Самая глубокая скважина в мире – Кольская - достигла глубины 12 километров, а радиус Земли составляет 6ь с лишним тысяч километров. Есть очень приближенное знание, что под нами существуют осадочный, гранитный, базальтовый слои, поверхность М - граница земной коры и верхней мантии, нижняя мантия и ядро. И есть масса теоретических и экспериментальных построений об их составе и физических условиях на различных глубинах. Простого и короткого ответа на этот вопрос нет.
Разве астрофизики вам в этом вопросе – не помощники?
Это еще вопрос, кто кому помощник. Да, мы получаем метеоритный материал из космоса, но точно не знаем, то ли это исходный материал, то ли это продукт распада и гибели космических объектов (планет, астероидов, комет). Здесь приходится задаваться предположениями и строить версии. Только на первый взгляд кажется, что вопрос о строении Земли для ученых является умозрительным, на самом деле с ним связано множество насущных для человечества вопросов. В частности – проблема прогноза землетрясений. Они до сих пор не прогнозируются, потому что мы не знаем причины, землетрясений. Есть достаточно аргументированные гипотезы об их причинах. Но это все-таки гипотезы. Для различных регионов есть основанный на статистике дальний прогноз о том, что землетрясения определенной силы (магнитуды) происходит раз в 100 или в 50, 70 лет и т.п. Но пользоваться таким прогнозом в реальном масштабе времени невозможно.
Что именно нам нужно узнать, чтобы научиться прогнозировать землетрясения?
Прогноз землетрясений это сложнейшая самостоятельная проблема. Здесь я вряд ли скажу вам что-нибудь новое. Во-первых, нужно понять механизм землетрясений. В некоторых случаях, только после того, как землетрясение произошло, мы можем понять его причину и определить механизм. И то для данного конкретного случая. Есть на Земле области сжатия, где плиты сталкиваются, есть области растяжения, где они расходятся, и там действуют разные механизмы. У обратных задач не бывает однозначных решений. Вот в метеорологии у нас есть огромный набор информации от сотен метеостанций и десятков метеоспутников, фиксирующих изменения погоды и климата. Но даже в метеопрогнозах случаются ошибки. А объем информации о состоянии недр Земли в тысячи раз меньше. Поэтому о прогнозе землетрясений в реальном масштабе времени пока что говорить рано. Для этого надо слишком много сил и средств.
Однако эта проблема до сих пор не решена и там, где страны располагают средствами. Сейчас США совместно со странами Тихоокеанского региона ставят общие станции в Тихом океане. Означает ли это, что они продвинулись в понимании происхождения землетрясений?
Не совсем. Они ведь решают проблему не идентификации цунами, а своевременного оповещения. Цунами начинается в результате землетрясения. Когда оно случится, никто не знает, но власти решают задачу как можно быстрее зафиксировать сигнал и оповестить людей. Если точно определить характер землетрясения, то можно дать сигнал тревоги. Волна цунами распространяется медленнее, чем сейсмический сигнал. Его скорость – около восьми километров в секунду, а волна движется со скоростью около сотни километров в час. То есть мы располагаем временем подхода волны от 10 минут до нескольких часов. Когда случилась год назад трагедия в Южноазиатском регионе, то до Суматры и Индонезии цунами дошло очень быстро, а до Индии волна шла заметно дольше, можно было бы и предупредить население об угрозе, но эффективной системы оповещения не было.
Каким образом можно понять, что случилось цунамиопасное землетрясение?
По характеру волны. Цунами порождаются землетрясениями, во время которых резко смещается дно океана. Если землетрясение произошло на очень больших глубинах, то цунами не произойдет.