Οι σεισμοί εξαπλώνονται σαν πυρκαγιά;

Ένα απλό μοντέλο δασικών πυρκαγιών θα μπορούσε να εξηγήσει την κατανομή των μεγεθών των σεισμών και των μετασεισμών τους, λέει ένας θεωρητικός φυσικός. Οι γεωεπιστήμονες λένε ότι έχουν επιφυλάξεις σχετικά με την ακρίβεια του μοντέλου με γυμνά οστά, αλλά χαιρετίζουν την προσπάθεια να ληφθούν υπόψη οι μετασεισμοί.

«Η βασική προσέγγιση έχει αξία», λέει ο Donald Turcotte, γεωφυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Davis. "Δεν γνωρίζω κανέναν άλλον που έχει κάνει μετασεισμούς."

Οι σεισμοί δείχνουν μια εντυπωσιακή στατιστική κανονικότητα. Οι μεγαλύτεροι συμβαίνουν λιγότερο συχνά από τους μικρότερους, και για περισσότερο από μισό αιώνα οι επιστήμονες γνωρίζουν ότι οι σεισμοί μεγέθους 2 συμβαίνουν περίπου στο ένα δέκατο της συχνότητας από αυτούς του μεγέθους 1. αυτά του μεγέθους 3 εμφανίζονται στο ένα δέκατο του ποσοστού αυτών του μεγέθους 2. και ούτω καθεξής. Αυτή η σχέση Gutenberg-Richter μπορεί να αναδιατυπωθεί μαθηματικά για να δείξει ότι η συχνότητα των σεισμών μειώνεται με την αύξηση του μεγέθους ή της σεισμικής ροπής - διαφορετική ποσότητα από το μέγεθός τους - σε αναλογία με αυτό το μέγεθος που αυξάνεται σε έναν εκθέτη ή δύναμη. Τα δεδομένα δείχνουν ότι αυτός ο εκθέτης είναι μεταξύ -1,8 και -1,5.

Αλλά από πού προέρχεται αυτός ο αριθμός; Τα προηγούμενα στατιστικά μοντέλα ρηγμάτων σεισμών δεν μπορούσαν να το εξηγήσουν, λέει ο Eduardo Jagla, θεωρητικός στην Εθνική Επιτροπή Ατομικής Ενέργειας της Αργεντινής στο Bariloche. Αντίθετα, οι ερευνητές προσάρμοσαν τις παραμέτρους για να πάρουν τον σωστό εκθέτη, λέει. Επιπλέον, αυτά τα μοντέλα άφησαν έξω τους μετασεισμούς που ακολουθούν ένα μεγάλο τράνταγμα - μια σημαντική παράλειψη, λέει.

Τώρα, ο Jagla λέει ότι μπορεί και να ενσωματώσει μετασεισμούς και να εξηγήσει την αξία του εκθέτη τροποποιώντας ένα μοντέλο για το πώς εξαπλώνονται οι δασικές πυρκαγιές. Στο λεγόμενο μοντέλο Drössel-Schwabl, τα δέντρα φυτρώνουν τυχαία σε ένα τετράγωνο πλέγμα σαν ένα τεράστιο σκακιέρα. Μόλις το δάσος γίνει αρκετά πυκνό, ο κεραυνός βάζει φωτιά σε ένα τυχαίο δέντρο και η φωτιά εξαπλώνεται ακαριαία ανάμεσα στα δέντρα που καταλαμβάνουν γειτονικά τετράγωνα. Η πυρκαγιά συνεχίζεται μέχρι να μην υπάρχουν άλλοι γείτονες για να πηδήξουν. Στη συνέχεια, η διαδικασία ξεκινά από την αρχή.

Στο μοντέλο της Jagla, το «δάσος» είναι το επίπεδο ενός ρήγματος που διασχίζει τον φλοιό της Γης, χωρισμένο σε ένα πλέγμα 10.000 επί 10.000. Τα δέντρα που φυτρώνουν αντιστοιχούν στη συσσώρευση τάσης κατά μήκος του ρήγματος. περιοχές που καίγονται, στο τμήμα του ρήγματος που κινείται κατά τη διάρκεια ενός σεισμού.

Σε αυτό το βασικό μοντέλο, το μέγεθος των πυρκαγιών υπακούει σε έναν νόμο ισχύος με τον εκθέτη -1,2—σημαντικά υψηλότερο από τον αριθμό των πραγματικών σεισμών. Αλλά τότε Η Jagla κάνει μια ανατροπή , όπως αναφέρει σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε στις 3 Δεκεμβρίου στο Physical Review Letters . Υποθέτει ότι τα δέντρα έρχονται σε δύο τύπους:πιο κοινά "δέντρα Α" που καίγονται αμέσως και πολύ πιο σπάνια "δέντρα Β" που καίγονται αργά και φωτίζουν τους γείτονές τους μόνο μετά από καθυστέρηση. Στο μοντέλο δασικής πυρκαγιάς, η φωτιά σταματά όταν πρέπει να περάσει από ένα μόνο δέντρο Β.

Το αποτέλεσμα είναι ότι η δασική πυρκαγιά σπάει σε μια «συστάδα» μικρότερων πυρκαγιών ελαφρώς διαχωρισμένων χρονικά, μειώνοντας τη συχνότητα των πραγματικά μεγάλων πυρκαγιών. Τώρα, η κατανομή μεγέθους των μεμονωμένων πυρκαγιών έχει εκθέτη -1,8, όπως και στην παρατηρούμενη κατανομή των μεγεθών των σεισμών. «Αυτό που θα ήταν ένας μεμονωμένος σεισμός τώρα κατακερματίζεται σε πολλούς μικρότερους σεισμούς που δίνουν τον σωστό εκθέτη», λέει ο Jagla. Τα θραύσματα μπορούν να ερμηνευθούν ως μετασεισμοί και τα δέντρα Β ως τα επίκεντρά τους στο ρήγμα, λέει.

Το βασικό σημείο, λέει ο Jagla, είναι ότι η απλή εισαγωγή μιας εσωτερικής κλίμακας χρόνου - η καθυστέρηση στα δέντρα Β - οδηγεί το σύστημα στον σωστό εκθέτη. Εφόσον η καθυστέρηση είναι πολύ μεγαλύτερη από αυτή που χρειάζονται τα δέντρα Α για να καούν, αλλά πολύ μικρότερη από το χρόνο μεταξύ των κεραυνών, ο εκθέτης θα είναι ο ίδιος, επειδή το αποτέλεσμα των δέντρων Β είναι να διαλύσουν τη φωτιά χωρικά, λέει. Όσον αφορά τους σεισμούς, οι μετασεισμοί πρέπει να έρχονται αργά σε σύγκριση με τη διάρκεια κάθε κλονισμού αλλά γρήγορα σε σύγκριση με τη συσσώρευση τάσεων.

«Μου αρέσει η διαισθητική απλότητα και η σαφήνεια της προσέγγισής του και θαυμάζω ότι δανείζεται από την κοινότητα της πυρκαγιάς για να παρέχει πληροφορίες για τη δική μας», λέει ο Ross Stein, γεωλόγος στο Γεωλογικό Ινστιτούτο των ΗΠΑ στο Menlo Park της Καλιφόρνια. «Αλλά», προειδοποιεί, «πολλά φαινόμενα μπορούν να εξηγήσουν τον νόμο εξουσίας Gutenberg-Richter… επομένως είναι δύσκολο να είμαστε σίγουροι ότι η υπόθεση της αργής πυρκαγιάς είναι ένα βασικό στοιχείο». Ο Turcotte λέει ότι πολλοί άλλοι ερευνητές ισχυρίζονται επίσης ότι έχουν εξηγήσει την αξία του εκθέτη στη σχέση.

Στην εργασία του, ο Jagla προτείνει έναν τρόπο να δοκιμάσει το σχέδιο του. Στο μοντέλο του, ο εκθέτης για τους κύριους κραδασμούς και τους πρώτους μετασεισμούς τους θα πρέπει να ξεκινά σχετικά ψηλά—πιο κοντά στο -1,2 του αρχικού μοντέλου πυρκαγιάς με ένα μόνο είδος δέντρου. Τότε η αξία του θα πρέπει να μειωθεί καθώς συμβαίνουν όλο και περισσότεροι μετασεισμοί. Η Jagla λέει ότι τα δεδομένα που ελήφθησαν στη νότια Καλιφόρνια για 20 χρόνια δείχνουν ότι οι κύριοι σεισμοί και οι μετασεισμοί που συμβαίνουν μέσα σε 30 λεπτά δείχνουν εκθέτη -1,35, ενώ αυτοί για μετασεισμούς που έρχονται 30 έως 90 λεπτά μετά το κύριο σοκ έχουν εκθέτη -1,7, ακριβώς όπως προβλεπόταν.

Όμως, τόσο ο Stein όσο και ο Turcotte σημειώνουν ότι ο κατάλογος των μετασεισμών στα πρώτα 30 λεπτά μετά από έναν μεγάλο σεισμό είναι εμφανώς ελλιπής. Επομένως, αν πρόκειται για μια γοητευτική πρόοδο μένει να φανεί.