Калина Стоименова, студент-бакалавър „Астрофизика, метеорология и геофизика“, Физически факултет, Софийски университет „Св. Климент Охридски“
В статията на Cannata et al. (2021) е представено интересно изследване за влиянието на човешкото дейност и транспортната индустрия върху данните, записвани от сеизмичната апаратура. Повод за изследването са предприетите в Италия мерки за ограничаване разпространението на вируса COVID-19. Транспорта и придвижването на хора и стоки чувствително намалява и се ограничава трафика във всички аспекти – сухопътен, воден и въздушен. Това на свой ред намалява и сеизмичния отпечатък от тези дейности и отваря много въпроси относно използването на сеизмичните данни за анализ на човешкото движение, но и за това какви нови знания за земетресенията са „прикрити“ от увеличаващото се антропогенно влияние и могат да бъдат разкрити в необичайната обстановка на „затишие“.
При работата на сеизмичните уреди е неизбежна регистрацията на сигнали от събития без земетръсен произход – освен земетресения се регистрират и атмосферни и хидросферни процеси, както и все по-осезаемият отпечатък на човешката дейност. Това може да са сигнали с голяма амплитуда от „изкуствени“ земетресения, предизвикани от експлозии или добив на природни ресурси, но и слабите и почти непрекъснати сигнали (шум), оставяни от ежедневната човешка дейност. Този шум оказва особено силно влияние на сеизмични станции, разположени в урбанизирани и гъсто населени райони, и той е сложна комбинация от много застъпващи се фактори. Обикновено влиянието на този шум е по-силно през деня и в работните дни, отколкото през нощта или през почивните дни. До 2020 г. има твърде малко проучвания, насочени към изследване и анализиране на тези шумове, но ефектите от глобалната пандемия провокираха няколко екипа да ги проучат по-подробно. Благодарение на тези изследвания се получиха някои изключително интересни резултати.
Данните, регистрирани по време на пандемията, се използват за анализ на трафика и движението на хора и стоки в изследването на Cannata et al.(2021). Авторите използват данни, предоставени от Apple, Facebook и Google, главно от местоположенията на мобилните устройства на потребителите, и ги съпоставят с данните за сеизмичния шум. Изследван е регион в източната част на остров Сицилия, разполагащ с изключително гъста мрежа от сеизмични станции – използвани са данни от 18 станции, оперирани от Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, Osservatorio Etneo (INGV-OE). Разположението на станциите варира спрямо населеността и индустриялизацията – някои са близо до населени места, магистрали и заводи, докато други са в отдалечени от човешката дейност региони, но всички те разполагат с широколентови сеизмометри, поставени в бетонни камери на 1,5 м дълбочина под земната повърхност. Използвани са данни за периода 1 ноември 2019 г. – 23 май 2020 г., като е анализирано както спектралното разпределение, така и амплитудата на шума. Използвани са честоти в интервала 10-40 Hz, които се смятат за най-силно повлияни от човешката дейност.
Спектрограми на сеизмичните записи на 18-те станции са представени на фиг.1, като с пунктири са отбелязани два ключови момента: въвеждането на строгите ограничителни мерки на 11.03.2020 (LD) и вдигането на част от ограниченията на 04.05.2020 (PD). Разположението на станциите е показано на фиг. 2. Ясно се вижда намаляването на интензитета на шума в разглеждания честотен диапазон, като прави впечатление, че този спад е по-изразен за някои от станциите, докато при други е по-трудно забележим. Това е отражение на факта, че различните станции се намират в региони с различна степен на антропогенно влияние, както бе споменато по-рано.
Фиг.1: Спектрограми на вертикалната компонента на сеизмичните сигнали, Cannata et al. (2021)
Втората важна стъпка, предприета от авторите на статията след обработката на данните за сеизмичния шум, е съпоставянето им с данните за движението, предоставени от големите мобилни компании. За опазване на общественото здраве, компаниите Google, Apple и Facebook направиха публично достъпни данните за придвижването на потребителите в почти всички държави по света, включително и за изследвания регион. Тези данни са използвани от авторите за сравнение с получените данни за шума: първоначално за визуално съпоставяне на качествено ниво, а в последствие и за количествена съпоставка чрез коефициент на корелация. Някои от станциите са разположени на Аеолските острови и за тях е добавена информация за трафикът на плавателните съдове, предоставен от пристанищните служби, като се взимат предвид категорията и масата на съда.
Резултатите еднозначно показват, че в следствие на ограничителните мерки навсякъде се наблюдава спад в амплитудата на сеизмичния шум, дори в отдалечени от човешко въздействие региони, като станциите в подножието на вулкана Етна и на Аеолските острови. Степента на отслабване, както и спектралното разпределение, са различни при различните станции. При тези от тях, разположени близо до градове, натоварени пътища и големи инфраструктурни съоръжения, се наблюдават очаквани максимуми в светлата част на деня през работните дни и минимуми през уикендите. Някои станции показват и нетипично поведение, дължащо се на различни индивидуални фактори. Например на Аеолските острови основно значение има корабният трафик, чието влияние изпреварва това на автомобилния. Именно там се наблюдават много ясни спадове в амплитудите на шума точно след въвеждане на противоепидемичните мерки, което е показателно за интензивността на морския трафик в Средиземно море. За Аеолските острови данните за сеизмичния шум показват спад от 40-50 % в честотната област 10-40 Hz. Друг интересен резултат показват станциите в подножието на вулкана Етна, където голяма част от сеизмичния шум се дължи на туризма в региона. Туристическите екскурзии също биват отменени с въвеждането на противоепидемичните мерки, което води до спад между 30 и 60 % отново с честотен интервал 10-40 Hz. Важно е да се отбележи, че на места се забелязват кратки покачвания, които не съвпадат с тенденцията за спад в шума, но те са причинени от лоши атмосферни условия, а не от антропогенни източници. Навсякъде се забелязва и повторно покачване на нивата на шума при облекчаването на мерките в началото на май 2020 г.
Анализите показват и разпределението на антропогенно-генерираният сеизмичен шум по честоти. Оказва се, че то силно зависи от конкретната станция – при някои става въпрос за под 10 Hz, а при други – над 20 Hz. Много варират и самите стойности на антропогенния шум като част от общия регистриран шум. За станциите близо до вулканите Етна и Стромболи това е очаквано, заради близостта им до активни вулкани, особено като се има предвид усилената активност и на двата вулкана във втората половина на месец март. Земетресенията с вулканичен произход около тези вулкани са с енергии в 1естотния диапазон 0,5 – 5,5 Hz.
Резултатите от сравненията на сеизмичния шум с данните за антропогенното движение показват зависимост: амплитудата на сеизмичния шум се увеличава с увеличаването на движението. Най-добро съвпадение се получава за честоти над 10 Hz, което показва, че това са честотите, които са най-силно засегнати от антропогенното влияние. В случаите на станции, близо до пристанища, се наблюдава корелация между сеизмичния шум и данните за морския трафик при честоти под и около 25 Hz. Този резултат е интересен, защото показва, че честотите, повлияни от морския трафик са различни от честотите, дължащи се предимно на останалите видове човешка дейност.
Друг интересен факт е, че въвеждането на противоепидемичните мерки в средата на март съвпада с края на зимата и началото на пролетта, което означава подобряване на метеорологичните условия. Това може да се тълкува като причина за намаляването на амплитудите на сеизмичния шум, а не необичайната здравна ситуация, имайки предвид, че вятърът генерира сеизмичен шум със честоти между 0,5 и 60 Hz. Авторите изключват тази възможност заради вече коментираното наблюдавано повторно покачване на нивата на шума при облекчаване на мерките, както и поради получената добра корелация с реалните данни за антропогенното движение.
Спадът в амплитудите на сеизмичния шум е изследвано и в Lecocq et al. (2020г). Авторите изследват ефектите на глобално ниво, което е основна разлика с локалното изследване на италианския екип. Lecocq et al. (2020г). използват данни от 268 станции, като докладват за установен спад в нивата на шума по време на действащи противоепидемични мерки в 185 от тях. На фиг. 3 е показано разпределението на тези станции:
Фиг.3: Географско разпределение на станциите, използвани за изследванията на Lecocq et al. (2020)
Резултатите от изследването показват различни стойности на наблюдавания спад в зависимост от разположението на станцията – в по-гъстонаселените райони той е съществен, както и в зони с развити условия за туризъм, докато в слабо населени райони спад е възможно изобщо да не се наблюдава. Наблюдаваните зависимости са аналогични на Cannata et al.(2021), като тук е изчислен и средният спад на глобално ниво – около 50%. Lecocq et al. (2020) аналогично прави сравнение с данни за движението на хора и стоки, като връзката се вижда на фиг.4:
Фиг. 4: Връзка между средния глобален спад на нивата на шума и данни за мобилността на населението Lecocq et al. (2020)
В заключение, разгледаните научни трудове повдигат изключително интересния въпрос за антропогенното влияние върху шума в записите на сеизмичната апаратура. Ограничаването на голяма част от ежедневната човешка дейност и мобилност в опит за борба със силно заразното заболяване COVID-19 води до очаквани спадове в нивата на този шум и е катализатор за много проучвания в тази сравнително неизследвана област.
Библиография:
Cannata, A., et al. “Seismic evidence of the COVID-19 lockdown measures: a case study from eastern Sicily (Italy)”. Solid Earth, 12, 299–317 (2021)
Lecocq, T., et al. “Global quieting of high-frequency seismic noise due to COVID-19 pandemic lockdown measures”. Science, Vol. 369, Issue 6509, pp. 1338-1343 (2020)
