В Гренландии обрушилась гора, и Земля дрожала девять дней: раскрыт механизм сейсмической аномалии, сотрясшей планету

Осенью 2023 года глобальная сеть сейсмологических станций зафиксировала сигнал, который кардинально отличался от привычных проявлений геологической активности. На протяжении девяти дней приборы по всему миру непрерывно регистрировали очень длинные сейсмические волны. Каждые 92 секунды земная кора совершала медленное горизонтальное колебание. Сигнал был настолько четким и монотонным, что ученые изначально не могли отнести его ни к землетрясениям, ни к вулканическим извержениям. Через месяц, 11 октября, этот же сигнал появился снова, продлившись еще неделю, хотя его мощность была вдвое ниже.

Источником аномалии оказался Диксон-фьорд — изолированный узкий залив на восточном побережье Гренландии. Причиной первичного возмущения послужил масштабный оползень. Из-за глобального потепления ледник, который долгие годы служил механической опорой для горного склона, истончился. В результате огромный массив горной породы обрушился в воду, вызвав разрушительное цунами. На ближайших к месту обрушения участках берега вода поднималась на высоту до 200 метров.

Однако само по себе цунами не могло стать причиной сейсмического сигнала, который длился больше недели. Энергия классической волны цунами по мере движения рассеивается на больших пространствах. Чтобы объяснить такую продолжительность и монотонность колебаний, геофизики выдвинули гипотезу о формировании гигантской сейши — стоячей волны.

Сейша возникает в замкнутых или полузамкнутых водоемах. В данном случае вода оказалась заперта в узком ущелье фьорда. Вместо того чтобы уйти в открытый океан, огромная масса воды начала ритмично перекатываться от одного берега к другому. Каждое столкновение миллионов тонн воды со скалистыми стенами фьорда создавало мощный горизонтальный удар. Именно эта физическая сила передавалась в земную кору и фиксировалась сейсмографами на других континентах.

Несмотря на стройность этой теории, до недавнего времени она опиралась исключительно на компьютерное моделирование и расчеты, сделанные на основе сейсмических данных. Никто не наблюдал саму стоячую волну. Датский военный корабль, который проходил через фьорд спустя несколько дней после начала событий, не зафиксировал никаких визуальных отклонений на поверхности воды. Научному сообществу требовались прямые инструментальные доказательства.

В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, группа ученых из Оксфордского университета впервые представила эмпирические данные, подтверждающие существование этой стоячей волны. Для этого исследователям пришлось обратиться к новейшим технологиям спутникового наблюдения и решить ряд сложных аналитических задач.

Слепота традиционных радаров и возможности миссии SWOT

Главная трудность в изучении экстремальных океанических явлений в труднодоступных регионах, таких как Арктика, заключается в отсутствии локальных измерительных приборов. Традиционно ученые полагаются на спутниковую альтиметрию — измерение уровня воды из космоса.

Но стандартные спутники имеют существенное ограничение. Их радары направлены строго вертикально вниз и сканируют лишь узкую полосу прямо под собой. В результате они создают одномерный профиль водной поверхности. Учитывая извилистую форму фьордов и редкость пролетов над одной и той же точкой, вероятность того, что классический спутник зафиксирует момент максимального перекоса воды в узком заливе, практически равна нулю.

Для решения этой проблемы исследователи использовали данные аппарата нового поколения — спутника SWOT (Surface Water Ocean Topography), который был выведен на орбиту в конце 2022 года. В отличие от предшественников, SWOT использует сложную систему радаров, позволяющую сканировать широкую полосу поверхности шириной до 120 километров. Спутник формирует плотную двумерную сетку данных, где каждый пиксель содержит информацию о высоте водной поверхности с точностью до сантиметров. Эта технология позволяет фиксировать уровень воды вплоть до самых скалистых берегов без искажений.

Орбита спутника SWOT пролегала над Диксон-фьордом несколько раз в течение сентября, а также спустя 12 часов после повторного оползня 11 октября. Полученные массивы данных впервые позволили исследователям увидеть реальную пространственную картину происходящего во фьорде.

Вычисление истинных масштабов катастрофы

Анализ спутниковых данных показал картину, которая строго соответствовала физическим характеристикам стоячей волны. Радар зафиксировал масштабный поперечный наклон водной поверхности: уровень воды на одном берегу фьорда был значительно выше, чем на противоположном.

Однако спутниковый снимок дает лишь мгновенный срез данных. Спутник фиксирует случайную фазу колебания, поэтому по одному пролету невозможно определить начальную максимальную высоту волны. Чтобы восстановить полную картину и вычислить исходный масштаб сейши, ученые применили метод синхронизации данных.

Они объединили спутниковую информацию о наклоне водной поверхности с показаниями наземной сейсмической станции, расположенной на расстоянии более 1300 километров от Гренландии. Амплитуда сейсмического сигнала напрямую зависит от силы, с которой вода давит на стенки фьорда, а эта сила, в свою очередь, пропорциональна углу наклона водной поверхности. Применив статистические методы фильтрации для устранения технических шумов из спутниковых данных, ученые смогли сопоставить эти два набора информации.

Результаты вычислений показали, что после того, как первичный хаос от падения скалы утих, во фьорде сформировалась устойчивая стоячая волна. Ее первоначальная высота составила 7.9 метра. Вся эта огромная масса воды перемещалась от берега к берегу каждые 92 секунды, систематически нанося удары по горным массивам.

Проверка альтернативных гипотез

В строгом научном исследовании недостаточно просто подтвердить свою теорию; необходимо также полностью исключить другие возможные причины наблюдаемого явления. Ученым требовалось доказать, что зафиксированный спутником перекос воды не был вызван более привычными факторами, такими как воздействие ветра или приливно-отливные циклы.

Исследователи детально проанализировали обе альтернативные версии:

1. Влияние приливов. Из-за сложной геометрии фьордов стандартные глобальные модели приливов там работают неточно. Поэтому ученые собрали данные спутника SWOT за целый год наблюдений и применили алгоритмы пространственного анализа для реконструкции движения доминирующего лунного прилива в этом заливе. Результаты четко показали, что приливная волна движется вдоль продольной оси фьорда. Приливы физически не способны создать тот резкий поперечный перепад высот от берега к берегу, который был зафиксирован радаром.
2. Ветровой нагон воды. При длительном и сильном ветре вода может скапливаться у одного из берегов под воздействием физических сил вращения Земли. Чтобы проверить эту гипотезу, ученые обратились к данным метеорологической станции, установленной в глубине фьорда. Анализ показал, что в моменты прохождения спутника ветер над фьордом был либо слишком слабым (скорость менее 5 узлов), либо дул вдоль ущелья. Это полностью исключает вероятность того, что перекос воды образовался из-за погодных условий.

Аномальная продолжительность: почему волна не останавливалась

Оставался один нерешенный вопрос, который ставил в тупик исследователей: почему стоячая волна сохраняла свою энергию на протяжении девяти дней без внешнего вмешательства? В обычных условиях трение о дно и берега должно довольно быстро рассеять кинетическую энергию в полузамкнутом бассейне.

Ответ кроется в физическом расслоении воды — процессе стратификации. Диксон-фьорд находится в зоне активного таяния ледников. Огромные объемы пресной талой воды постоянно стекают в залив. Пресная вода имеет меньшую плотность, чем соленая морская вода, поступающая из океана. В результате во фьорде образуются два четко разделенных слоя: легкая пресная вода находится на поверхности, а тяжелая соленая вода — на глубине.

Разница в плотности создает барьер между этими слоями. При возникновении сейши энергия волны не уходила в глубину, где она неизбежно погасилась бы из-за донного трения. Волна оказалась изолирована в верхнем, пресном слое воды. Это позволило огромным массам воды скользить с минимальным сопротивлением, сохраняя свой импульс на протяжении аномально долгого времени.

Климатический контекст и значение исследования

События в Диксон-фьорде являются прямым свидетельством того, как изменение климата влияет на фундаментальные физические процессы планеты. Повышение глобальных температур вызывает быстрое истончение ледникового покрова. Ледники, которые тысячелетиями заполняли ущелья и служили естественной механической опорой для отвесных скал, отступают. Потеря этой опоры приводит к масштабным геологическим обвалам в регионах, которые ранее считались стабильными.

Эти локальные обрушения теперь способны запускать новые цепные реакции. Масса падающей породы и льда создает экстремальные процессы во фьордах, энергии которых достаточно для того, чтобы заставить вибрировать земную кору на глобальном уровне.

Данная научная работа подчеркивает важнейший факт: инструменты наблюдения прошлого столетия больше не подходят для мониторинга современной климатической и геологической ситуации. Классические спутниковые системы и разреженные сети наземных датчиков пропускают явления такого масштаба. Для фиксации, анализа и прогнозирования новых типов природных катастроф требуются специализированные орбитальные миссии с широким охватом и высоким разрешением, способные собирать данные в труднодоступных точках планеты. Только интеграция спутниковых технологий нового поколения с данными сейсмологии позволит своевременно фиксировать физические изменения, которые происходят на Земле из-за климатического кризиса.

Источник: Nature Communications