2 kwietnia 2024 roku o godz. 23:58 UTC (ok. godz. 2 w nocy 3 kwietnia polskiego czasu) w pobliżu Hualien na Tajwanie doszło do trzęsienia ziemi o magnitudzie Mw 7,4. Było to najpoważniejsze zdarzenie tego typu w regionie od końca lat 90. Odnotowano ofiary śmiertelne i licznych poszkodowanych. W czasopiśmie naukowym Geomatics, Natural Hazards and Risk geofizycy, sejsmolodzy z Chin i Tajwanu oraz specjalista z Centrum Diagnostyki Radiowej Środowiska Kosmicznego Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego w Olsztynie stawiają jednak inne pytanie: czy tak silny impuls mechaniczny potrafi zostawić znak nie tylko w sejsmogramach, lecz także w pomiarach pola magnetycznego wykonywanych na Ziemi, i co dokładnie ten znak mówi o tym, co dzieje się nad naszymi głowami.

To pytanie nie wzięło się znikąd. Tajwan od 2018 roku rozbudowywał gęstą sieć stacji magnetycznych i wymienił starsze urządzenia na precyzyjne magnetometry trójskładowe, co sekundę mierzące pole w trzech kierunkach z rozdzielczością rzędu setnych nanotesli. W praktyce oznacza to, że da się zobaczyć bardzo subtelne i krótkotrwałe efekty, które w starszych, rzadszych pomiarach (np. co minutę) po prostu zniknęłyby w uśrednieniu. Badacze wykorzystali osiem takich stacji w odległościach od ok. 84 do 320 km od epicentrum i potraktowali jedną z nich jako punkt odniesienia, by wyzerować tło niezwiązane z trzęsieniem.

W danych pojawiają się dwa różne zjawiska. Pierwsze to szybkie wahania pola w pierwszych 200 sekundach po trzęsieniu. Są one uporządkowane zgodnie z odległością stacji od epicentrum i przemieszczają się z prędkością podobną do fal sejsmicznych, co sugeruje, że nie tyle Ziemia wytwarza zarejestrowane pole, ile fale sejsmiczne dosłownie potrząsają instrumentami. Autorzy nazywają to efektem potrząsania (shaking effect) i pokazują, że te wczesne wahania mają cechy propagacji typowe dla fal sprężystych.

Drugie zjawisko jest ciekawsze i mniej intuicyjne. Między 350. a 455. sekundą po trzęsieniu, czyli mniej więcej 6 minut po zdarzeniu, kilka stacji położonych blisko epicentrum (w promieniu ok. 114 km) rejestruje zaburzenia niemal jednocześnie, bez opóźnień rosnących wraz z odległością. Dodatkowo składowa pionowa pola zachowuje się różnie w zależności od położenia stacji: jedne stacje notują wzrost, inne spadek w tym samym czasie, jakby źródło sygnału było lokalne i miało określoną geometrię. Taki obraz pasuje do hipotezy, że w okolicy epicentrum pojawił się chwilowy prąd elektryczny, którego pole magnetyczne na powierzchni Ziemi wygląda właśnie jak układ plus/minus zależny od strony, po której stoimy.

Kluczowe jest to, gdzie ten prąd miałby płynąć. Gdyby powstał pod ziemią, powinien pojawić się niemal natychmiast wraz z samym wstrząsem, a nie dopiero po kilkuset sekundach. Autorzy wnioskują więc, że źródło jest wyżej - w jonosferze, czyli w tej części atmosfery, która zawiera dużo naładowanych cząstek i potrafi przewodzić prąd. Z prostego modelu oraz z analizy kierunków zaburzeń wyliczają orientację i parametry: prąd na wysokości około 99 km, o azymucie ok. 247 st. (w przybliżeniu w stronę południowo-zachodnią), z natężeniem rzędu 266 A, zlokalizowany około 65 km na północ od epicentrum. W naszym gniazdku byłby to ogromny prąd, ale tu jest to tylko krótkotrwały przepływ w ogromnej objętości rozrzedzonej atmosfery. Niemniej wystarczający, by sieć magnetometrów go poczuła.

Żeby nie opierać się wyłącznie na magnetometrach, badacze sięgają po niezależny dowód: obserwacje z tzw. HF Doppler Sounder, czyli urządzenia, które wysyła falę radiową w górę i analizuje jej powrót po odbiciu od jonosfery. Jeśli jonosfera unosi się i opada pod wpływem fali akustycznej (ogromnej, pionowo biegnącej fali dźwiękowej wywołanej trzęsieniem), to odbicie zachowuje się inaczej i pojawia się przesunięcie częstotliwości (efekt Dopplera). W artykule pokazano wyraźne zaburzenia dla kilku częstotliwości, odpowiadających warstwom jonosfery na wysokościach mniej więcej 140–195 km, z opóźnieniami rosnącymi wraz z wysokością. Ten znak czasu dobrze pasuje do obrazu, że fala akustyczna startuje przy powierzchni i po kilku minutach dociera do wyższych warstw.

Autorzy korzystając z modelu atmosfery NRLMSISE-00 szacują także, ile czasu powinna potrzebować fala akustyczna, żeby dotrzeć na dane wysokości. Zestawienie teorii z obserwacjami pokazuje spójność czasów przelotu zarówno dla zaburzeń magnetycznych, jak i dla sygnałów Dopplera. Trzęsienie wzbudza falę akustyczną, ta idzie do góry, porusza plazmę w jonosferze, a ruch naładowanych cząstek w polu magnetycznym Ziemi generuje pole elektryczne i krótkotrwały prąd, który z kolei indukuje mierzalne zaburzenia pola magnetycznego przy powierzchni.

Wnioski z badań wskazują, że Ziemia, atmosfera i jonosfera tworzą sprzężony układ, w którym silny impuls mechaniczny potrafi uruchomić ciąg zdarzeń sięgający dziesiątków i setek kilometrów w górę. Naukowcy swoimi badaniami przypominają, że postęp w nauce bywa kwestią rozdzielczości i gęstości pomiarów. Sieć magnetometrów o wysokiej czułości i częstym próbkowaniu pozwoliła uchwycić zjawisko krótkie, słabe i lokalne, które wcześniej mogło umykać. Taki sygnał jest cenny, bo stanowi niezależny kanał obserwacji dużych wstrząsów, uzupełniający klasyczne sejsmometry i pozwalający lepiej opisać, jak energia z powierzchni przenosi się w górne warstwy atmosfery. Lepsze modele reakcji jonosfery mogą dodatkowo pomóc w interpretacji krótkotrwałych zakłóceń w łączności radiowej i nawigacji satelitarnej. To nie jest narzędzie do przewidywania trzęsień, lecz sposób na lepszą diagnostykę ich skutków i zrozumienie sprzężenia Ziemia–atmosfera–jonosfera. (PAP)

kmp/ agt/