"Двадцать секунд на эвакуацию". Почему природные катастрофы так трудно предсказать

Климатических рисков становится больше. Только в первом полугодии 2021 года Гидрометцентр зафиксировал 574 опасных гидрометеорологических явления — это на 18% превышает объем 2020 года. Со многими из них человечество имело дело на протяжении многих веков. Возможности мониторинга и оценки рисков постоянно растут. Кажется, что технологии вот-вот позволят взять стихию под контроль. Но на деле не все так просто.

Землетрясения: самые непредсказуемые

Землетрясения происходят около границ тектонических плит, когда участки земной коры скользят или сталкиваются между собой, как машины во время ДТП. Но поскольку они огромного размера, возмущение от этих событий затрагивает огромные площади. Мелкие толчки случаются очень часто — до 30 раз в день, но большинство не приносят вреда. Однако самые сильные из них уносят десятки тысяч жизней и причиняют миллиардный ущерб.

Главные процессы, вызывающие землетрясение, происходят на большой глубине, где взаимодействуют разные природные материалы. "Земная кора очень неоднородна, она состоит из разных материалов: например, песок может прессоваться и сжиматься в объеме, а вода — наоборот, — говорит Сергей Пулинец, главный научный сотрудник Института космических исследований РАН. — Есть граниты, они тоже ведут себя по-своему. В каждом случае возникают уникальные условия, и мы не можем сказать достоверно, что происходит в конкретном месте".

Землетрясение в Китае
© China Photos/Getty Images

Например, в Калифорнии специалисты долгие годы наблюдали за разломом Сан-Андреас. Они обратили внимание, что землетрясения там происходили с удивительной регулярностью — каждые 22 года. Это давало надежду, что будущее событие такого рода удастся точно предсказать. По расчетам, оно должно было произойти в районе 1993 года. Но толчок "опоздал" на 11 лет. Периодичность нарушилась, а среди ученых распространилось убеждение, что краткосрочный прогноз невозможен.

Сегодня исследователям известно очень много предвестников землетрясений. Например, выход определенных газов на поверхность земли, подъем уровня подземных вод, изменение магнитного поля и проводимости земной коры, нагрев определенных областей поверхности. Все эти процессы могут происходить за несколько недель или месяцев до самого землетрясения. Но ни один из них не может служить точным индикатором, на который могли бы опереться службы оповещения.

Иногда животные чувствуют приближение толчка лучше, чем люди. Специалисты из Университета Дуйсбурга, изучавшие поведение муравьев в периоды сейсмической активности, сделали вывод, что те накануне даже слабого (2 балла) толчка демонстрируют необычный всплеск активности. По мнению экспертов, это объясняется тем, что муравьи улавливают мельчайшие концентрации газа, незаметные для человека. А разрушительное землетрясение 1975 года в Китае помогли предсказать… змеи, которые внезапно прервали спячку и выползли на снег.

Но единого показателя, на который бы можно было положиться, по-прежнему нет. Сегодня эту проблему пытаются решить с помощью анализа больших данных. Современные программы используют разные типы данных, чтобы уловить опасность. Например, американская компания Terra Seismic использует американские, европейские и азиатские спутниковые системы для обнаружения различных аномалий. Сделанный таким способом прогноз позволил оповестить людей о землетрясении на Суматре в 2015 за неделю до события.

По словам Сергея Пулинца, системы оповещения достаточно консервативны в плане использования новых технологий. А сейсмологи не стремятся брать на себя ответственность: "Эвакуация населения — это колоссальные средства. Кто возьмет на себя затраты, если прогноз не оправдается? А если землетрясение все же произойдет и сейсмологи ошибутся, кто понесет ответственность? Есть так называемый кодекс сейсмолога, который запрещает оповещать людей напрямую. Мы можем только сообщать властям".

Землетрясение на Филиппинах
© AP Photo/Harley Palangchao

Самые распространенные системы раннего предупреждения опираются на данные о распространении сейсмических волн. Но их горизонт — 20–30 секунд до толчка. За это время люди успевают только выбежать из зданий. "Такие системы сейчас есть в прибрежных зонах — например, в Мексике и еще примерно в 11 странах, — говорит Сергей Пулинец. — Например, в Японии, когда получают сигнал, все службы реагируют мгновенно и синхронно, останавливаются поезда и другие производства. Но такой слаженностью могут похвастаться не все".

Наводнения: мониторинг есть, но проблема в другом

Если смотреть на российскую статистику, наводнения составляют 34% всех ЧС природного характера. Еще 5% — оползни и обвалы, многие из которых тоже связаны с проливными дождями и разливом рек. Ураганы также могут вызывать сильнейшие наводнения. В целом катастрофы, связанные с водой и ливнями, угрожают человечеству все сильнее. "Увеличивается количество волн тепла, увеличивается число экстремальных осадков, — объясняет Валерий Цепелев, доцент кафедры метеорологических прогнозов РГГМУ. — К сожалению, это то, что будет повторяться все чаще и чаще".

В России ежегодно происходит 40–70 крупных наводнений. Этим стихийным бедствиям подвержены около 500 тыс. кв. км, где расположены 300 городов, десятки тысяч населенных пунктов, более 7 млн га сельхозугодий. В зонах затопления проживает около 5 млн человек.

Последствия ливней в Керчи
© Сергей Мальгавко/ТАСС

"Все упирается в сеть мониторинга, — объясняет геоморфолог, научный сотрудник географического факультета МГУ Юлия Кузнецова. — Станции мониторинга отслеживают объем осадков и другие параметры, а датчики сигнализируют об опасном повышении уровня воды в реках. Например, в Норвегии наводнения тоже частое явление, и там налажена густая сеть мониторинга и прогнозирования. В России она тоже есть, но достаточно неравномерная. После наводнения в Крымске поставили сеть новых датчиков по рекам черноморского побережья. Но в целом возможности есть, и нам есть куда расти".

Но причина того, что наводнения причиняют столько разрушений, часто не в том, что не работает система предупреждения, подчеркивает Юлия Кузнецова. Проблема в том, как строится защита. "Мы перегораживаем русла искусственными сооружениями, не учитывая, что вода перед ним может собраться, а дальше происходит прорыв — толща воды просто сносит все на своем пути". Именно эта ситуация сложилась в Крымске.

Плохая приспособленность инфраструктуры — не только российская проблема. Так, в 2021 году в Западной Германии от наводнений, вызванных циклоном "Бернд", погибли 200 человек и более 170 пропали без вести. Масштаб трагедии лишь отчасти был связан с циклоном. Система берегоукреплений находилась в частных руках и оказалась абсолютно неготовой к бедствию.

Последствия наводнений в Германии
© Thomas Lohnes/Getty Images

Причиной сильнейшего в стране наводнения тогда стал блокирующий атмосферный процесс. Мощный антициклон, зависший над востоком Европы, заблокировал путь атлантическому циклону "Бернд". В результате за несколько дней западные области Германии получили до двух-трех месячных норм осадков. Немецкая метеослужба своевременно распространила прогнозы о дождях, но трагедия все равно случилась.

По мнению экспертов, одной из проблем оказалась плохая готовность гидротехнических инженерных сооружений вокруг Рейна. Стоки и системы отвода воды были устаревшими, а их перестройка затронула бы историческую часть города. Основу городской застройки составляли старые фахверковые дома, которые защищены законом. Они не подлежали капитальному ремонту.

"В общем-то человек сам виноват, — говорит Валерий Цепелев. — В первую очередь не нужно селиться в тех районах, где вода поднимается. И если вода не поднималась лет 20, это не значит, что по берегам рек нужно строить коттеджи. Например, в Крымске, как оказалось, вся пойма застроена. На Дальнем Востоке, когда жилищное строительство наблюдалось там, где строить нельзя".

В 2021 году Минприроды и Росводоресурсы разработали федеральный проект по защите от наводнений. Правительство поставило задачу — определить зоны затопления и ограничить застройку в них. "Как эта программа будет выполнена — нужно перестать давать разрешение на строительство, — подытоживает Валерий Цепелев. — И тогда ущерб будет гораздо меньше".

Пожары: чем больше станций, тем лучше контроль

Есть еще один опасный процесс, связанный с климатом, — лесные пожары. Здесь ученым помогает четкая сезонность, с которой связан рост рисков. "Есть два пика — один в марте, когда снег тает и остается сухая трава, и второй в августе, когда накапливается долгий сухой сезон (большая часть дождей прошла уже)", — объясняет Юлия Кузнецова.

Один из признаков будущего пожара — скопление горючего материала. Специалисты говорят, что пожар должен "созреть". Другими словами, на территории должны сложиться условия: сухая трава, торф или лесной сухостой. Возгорание могут спровоцировать и долгая сухая погода, определенная сила ветра, низкий уровень влажности. Сегодня все эти параметры можно загрузить в программу и просчитать вероятность пожара.

Лесные пожары в Рязанской области
© Александр Рюмин/ТАСС

При нагревании торфа или сухой травы выделяется большое количество тепла. Эти участки можно выявить с помощью спутников. С 2020 года в России действует система круглосуточного мониторинга данных с тепловых камер и спутников. Данные поступают в программу, которая оценивает потенциальную пожароопасность термоточки — тепловой аномалии на поверхности Земли. Обработанная информация затем попадает на сайт или в мобильное приложение МЧС.

Однако и здесь остается проблема ложного срабатывания системы. "Чтобы проверить конкретную термоточку, к ней направляют самолет, — объясняет заведующий кафедрой физической и вычислительной механики ММФ ТГУ Егор Лобода. — Но во многих случаях пожара там не оказывается. Например, это может быть стадо коров, нагретая на солнце крыша дома лесника. А каждый вылет — это трата горючего и времени".

Есть и более сложные алгоритмы. Они построены на применении газоанализирующей аппаратуры, которая может буквально "унюхать" пожар. Одна из таких систем, разработанная в ТГУ и Институте оптики атмосферы СО РАН, представляет собой набор станций, которые забирают пробы атмосферы на содержание в них ряда газов и аэрозолей, которые выделяются при природных пожарах. При этом система учитывает данные и со спутников, и с наземных камер.

Лесные пожары в Калифорнии
© David McNew/Getty Images

Для более эффективной работы системы, по словам Юлии Кузнецовой, нужно больше метеостанций и датчиков. По оценкам Главной геофизической обсерватории им. А.Е. Воейкова, в России на 10 500 кв. км приходится примерно одна станция. Для сравнения, в Китае их в 20 раз больше — при том, что его территория почти в два раза меньше. Проблему могли бы решить частные метеорологические компании. Например, в США около 4 тыс. частных компаний, которые собирают метеорологические данные для ферм, армии и флота, транспортных компаний.

Вулканы: капризные индивидуалисты

Извержение вулкана чем-то напоминает "выстрел" бутылки шампанского или газировки. Этот процесс называется дегазацией: давление газа заставляет жидкость с силой расширяться и выходить наружу. У вулканов вместо жидкости — раскаленная магма. Это расплавленные горные породы, смешанные с веществом земной мантии и газами. В определенный момент газы расширяются, проламывают земную кору в тонких местах и вырываются на поверхность вместе с потоками лавы.

Извержение вулкана Кумбре-Вьеха в Испании
© Marcos del Mazo/Getty Images

Когда магма движется по магмавыводящим каналам, в почве появляются трещины. Дрожание земли могут улавливать чувствительные приборы — сейсмографы. Чем дольше ученые наблюдают за конкретным вулканом, тем четче они видят его сейсмический "почерк" (поведение приборов перед извержением) и тем лучше получаются прогнозы. Например, на основе многолетних сейсмонаблюдений удалось предсказать извержения вулкана Безымянный в 1959, 1960 и 1961 годах, а в 1964 году — катастрофическое извержение вулкана Шивелуч.

Если вулкан начинает вздуваться — это тоже говорит о скоплении магмы под его поверхностью. Чтобы определить это, ученые могут измерять наклон поверхности вулкана и отслеживать, с какой скоростью растет набухание. Но этот метод доступен не всегда. Для этого нужны очень точные приборы, а многие вулканы имеют очень крутые склоны, и установить датчики на них трудно. Спутниковые снимки могут помочь, но облака часто портят картину.

Есть и другие методы — по содержанию в воздухе вокруг вулкана определенных газов (например, диоксида серы — одного из основных вулканических газов), по нагреву земли вокруг вулкана, по росту окружающих лесов или изменению химического состава воды. Но проблема вновь упирается в индивидуальный "характер" конкретного вулкана. 

Извержение вулкана Килауэа на Гавайях
© Mario Tama/Getty Images

Некоторые вулканы готовятся к извержению очень долго, многие годы лишь демонстрируют свои "намерения". В таких случаях мониторинг обходится очень дорого. А некоторые извержения возникают внезапно, без явных признаков. Так произошло, например, с вулканом Ньирагонго в Конго. За шесть лет до события на горе установили сейсмические датчики. Но они зарегистрировали повышенную активность лишь за десять минут до извержения.

Ученые предположили, что точка, откуда магма прорвалась наверх, находилась очень близко к поверхности. Другими словами, горячая пенистая порода так близко и незаметно "подкралась" к выходу, что датчикам просто нечего было регистрировать. Исследователи считают, что оборудование нужно адаптировать к таким "тихим" вулканам, которые до поры до времени не проявляют себя.