Burze słoneczne trzęsą Ziemią. To efekt "elektrycznej pięści"
Słońce, jonosfera i pęknięta skała. Nowy model pokazuje, jak burze słoneczne mogą pchnąć Ziemię do trzęsienia.
Burza słoneczna kojarzy się z zorzą polarną i problemami z GPS-em, a nie z trzęsieniem ziemi. Zespół fizyków z Kyoto University proponuje jednak model, który pokazuje, że silne zaburzenia w jonosferze mogą dobić i tak już osłabiony uskok i pomóc uruchomić duże trzęsienie. To nie jest jeszcze udowodniony mechanizm, ale pierwszy raz ktoś policzył, jak silne elektryczne siły z górnych warstw atmosfery mogą działać w głębi skorupy.
Czego tak naprawdę dotyczy nowa praca?
Dlaczego tuż przed częścią dużych trzęsień ziemi obserwuje się dziwne zjawiska w jonosferze? Od lat satelity rejestrują nad obszarami sejsmicznie aktywnymi: skoki gęstości elektronów, zmiany wysokości jonosfery, a także spowolnienie tzw. średnioskalowych jonosferycznych zaburzeń falowych (MSTID. Zwykle interpretowano to tak, że to Ziemia daje znać do góry – rosnące naprężenia w skorupie powodują emisję gazów, zaburzenia pola elektrycznego i w efekcie anomalia w jonosferze.
Zespół Akiry Mizuno i Kena Umeno proponuje, by odwrócić pytanie. Co jeśli w pewnych sytuacjach to jonosfera może delikatnie uderzyć w skorupę i pomóc wyzwolić trzęsienie, jeśli uskok i tak był już o krok od zerwania? Nie chodzi o to, że Słońce tworzy trzęsienia z niczego, ale że może stać się dodatkowym impulsem w bardzo złożonym układzie.
Czym jest jonosfera i jak burze słoneczne ją rozstrajają?
Jonosfera to obszar atmosfery, w którym promieniowanie ultrafioletowe i rentgenowskie ze Słońca wyrywa elektrony z atomów i cząsteczek. Zamiast neutralnego gazu mamy tam mieszaninę dodatnio naładowanych jonów i swobodnych elektronów. Fizycy nazywają to plazmą.
Jej gęstość elektryczną wzdłuż linii widzenia opisuje parametr TEC (total electron content). Jedna jednostka TEC to 10¹⁶ elektronów na metr kwadratowy w kolumnie atmosfer. To wygodny sposób mierzenia, ile ładunku niesie jonosfera nad danym miejscem.
Podczas silnych rozbłysków słonecznych i koronalnych wyrzutów masy, czyli tzw. pogody kosmicznej, strumień cząstek i promieniowania dociera do Ziemi i potrafi gwałtownie podnieść TEC o dziesiątki jednostek. To te same zjawiska, które odpowiadają za spektakularne zorze polarne i zakłócenia w systemach GNSS (GPS, Galileo).
Nowy model zakłada, że w takich momentach w dolnej jonosferze tworzy się warstwa silnie ujemnego ładunku – niczym wielka, rozciągnięta nad kontynentem elektroda. Jeśli pod nią znajduje się odpowiednio przygotowana skała, powstaje ogromny kondensator obejmujący całą kolumnę od górnej atmosfery po głęboką część skorupy.
Pęknięta skała jak gigantyczny kondensator
Kluczowym elementem układanki jest to, co dzieje się kilkanaście kilometrów pod naszymi stopami. W rejonach uskoków tektonicznych skała jest popękana i nasączona wodą. Na dużych głębokościach woda może być w stanie nadkrytycznym – to szczególna forma materii, w której nie ma już ostrego podziału na ciecz i gaz. Taka superwoda zachowuje się jednocześnie jak bardzo gęsta para i jak rozpływająca się ciecz, a przy tym świetnie rozpuszcza sole, tworząc przewodzący roztwór.
Autorzy pracy zakładają, że strefy pęknięć w skorupie, wypełnione gorącą, słoną wodą, działają elektrycznie jak kondensatory: dwie powierzchnie skalne to okładki, a roztwór jonowy w środku gromadzi ładunek. Ten podziemny kondensator jest sprzężony z powierzchnią Ziemi i jonosferą nad nim. Razem tworzą trójwarstwowy układ.
Gdy w jonosferze rośnie ilość elektronów, zmienia się rozkład ładunku w całym tym układzie. Na granicach skalnych szczelin indukują się ładunki dodatnie i ujemne, a w środku powstaje pole elektryczne. To pole generuje ciśnienie elektrostatyczne, czyli dodatkową siłę, która ściska lub rozpycha ściany pęknięcia.
Jak silna może być taka elektryczna pięść?
Fizyka ciśnienia elektrostatycznego jest dobrze znana z laboratoriów i przemysłu. Pole elektryczne działające na ładunki w dielektryku (tu: w skale i wodzie) wywiera nacisk, który da się policzyć. Naukowcy z Kyoto przeszli przez całą matematykę: od rozkładu ładunków w jonosferze, przez geometrię szczelin, po wynikowe ciśnienie na powierzchnie pęknięć.
Wyszło im, że dla anomalii TEC rzędu 10-90 jednostek (czyli takich, jakie obserwuje się po silnych rozbłyskach) ciśnienie wewnątrz szczelin może sięgać kilku megapaskali. Megapaskal (MPa) to milion paskali, jednostki używanej do opisu ciśnienia i naprężeń. Dla wyobraźni: 1 MPa to mniej więcej nacisk kilku ton na powierzchnię wielkości kartki A4.
Kilka MPa to poziom porównywalny z siłami pływowymi (od Słońca i Księżyca), które geofizycy od lat biorą pod uwagę jako delikatny regulator momentu wystąpienia trzęsienia. To wciąż mało w porównaniu z ogromnymi naprężeniami tektonicznymi, ale jeśli uskok jest już niemal na granicy wytrzymałości, taki dodatkowy impuls może być tym ostatnim ułamkiem procenta, który przechyla szalę.
Noto 2024: przypadek czy wskazówka?
Autorzy modelu wskazują na konkretne wydarzenie, a mianowicie na trzęsienie ziemi na Półwyspie Noto w Japonii z 1 stycznia 2024 r. Wstrząs o magnitudzie 7,5 wstrząsnął zachodnim wybrzeżem Japonii, miejscami podnosząc ląd o kilka metrów i niszcząc infrastrukturę w nadmorskich miejscowościach.
W tym samym okresie Słońce przechodziło fazę wzmożonej aktywności. W danych satelitarnych odnotowano silne rozbłyski i zaburzenia w jonosferze nad Japonią. Zespół z Kyoto zauważa, że wzrost TEC nad regionem i wystąpienie trzęsienia dzieli zaledwie kilkadziesiąt godzin. To zdecydowanie za mało, by mówić o prostym związku przyczynowo-skutkowym, ale wystarczająco dużo, by potraktować to jako przypadek pasujący do scenariusza z ich modelu.
Ważne jest, czego naukowcy nie twierdzą. Nie mówią, że burze słoneczne wywołują trzęsienia ziemi. Zgodnie z ich interpretacją uskok i tak musiał być już krytycznie obciążony przez klasyczne siły tektoniczne. Zewnętrzny impuls z jonosfery mógł jedynie pomóc w przełamaniu ostatnich zapadek w strukturze skał.
Czy da się przewidywać trzęsienia ziemi z kosmosu?
Jeśli ta koncepcja się potwierdzi, może zmienić sposób patrzenia na prognozowanie zagrożeń sejsmicznych. Od lat rozwijane są metody monitorowania jonosfery przy użyciu globalnych systemów nawigacji satelitarnej (GNSS). Sieci odbiorników GPS/Galileo pozwalają tworzyć trójwymiarowe tomografie rozkładu elektronów nad danym obszarem – coś w rodzaju tomografii komputerowej, tylko zamiast promieni rentgenowskich wykorzystuje się sygnały radiowe z satelitów.
Przeczytaj także:
Nowy model sugeruje, że takie dane, połączone z informacjami o stanie uskoków w skorupie, mogłyby w przyszłości pomóc lepiej oceniać, kiedy system jest szczególnie drażliwy. Szczególnie interesujące byłoby śledzenie okresów, w których:
- aktywność słoneczna jest wysoka,
- TEC nad danym regionem gwałtownie się zmienia,
- geolodzy wiedzą, że w rejonie znajdują się przeciążone uskoki.
Do tego dochodzi klasyczna pogoda kosmiczna monitorowana przez sondy i satelity obserwujące Słońce. Zespół z Kyoto zapowiada, że następne kroki to połączenie wysokorozdzielczych map jonosfery z danymi o rozbłyskach i szczegółowymi modelami lokalnej geologii.
