W kolejnym odcinku podcastu popularnonaukowego GEOGADKA rozmawiamy z Heleną Ciechowską, doktorantką w Zakładzie Sejsmologii IGF PAN, o trzęsieniach ziemi, ale niekoniecznie na… Ziemi.
Dagmara Bożek: Może zacznijmy od podstaw – jakie trzęsienia ziemi wyróżniamy?
Helena Ciechowska: Zaczęłabym od najprostszego podziału, a więc od antropogenicznych i naturalnych. Obecnie zajmuję się antropogenicznymi trzęsieniami ziemi głównie ze względu na moje zainteresowania i doktorat, ale dziś będziemy mówić o naturalnych wstrząsach z prostej przyczyny – poza Ziemią nie mamy okazji indukować i triggerować, czyli wywoływać, antropogenicznych wstrząsów. Trzęsienia ziemi można podzielić ze względu na rodzaj źródła – w jaki sposób powstają. Najczęściej słyszy się o takich związanych z m.in. miejscami subdukcji, uskokami, impaktami meteorytów. Może ten ostatni przykład nie jest zbyt częsty, ale to akurat zaliczymy do zjawisk naturalnych. Wstrząsy mogą powodować również zapadliska oraz ludzka aktywność.
D.B.: W Twojej wypowiedzi pojawiło się trochę określeń z żargonu naukowego, na przykład impakt meteorytu.
H.C.: Oznacza to, że meteoryt uderza w ziemię i powoduje wstrząs.
D.B.: I kontynuując poprzednie pytanie, co oznacza “hazard” czy “ryzyko sejsmiczne” w rozumieniu sejsmologa?
H.C.: Hazard to jest właściwie odpowiednik zagrożenia fizycznego. Zagrożenie sejsmiczne jest związane z tym, jakie potencjalnie mogą być te trzęsienia, a ryzyko oznacza odpowiedź naszej infrastruktury z uwzględnieniem danego otoczenia. Akurat nie jestem w tym temacie ekspertką, ale moja promotor jak najbardziej.
D.B.: Profesor Beatę Orlecką-Sikorę, kierownik Zakładu Sejsmologii IGF PAN, mieliśmy przyjemność gościć w jednym z poprzednich odcinków podcastu GEOGADKA. Skoro wiemy już, jakie są rodzaje trzęsień ziemi i że tych antropogenicznych raczej w kosmosie nie ma…
H.C.: Na razie nie. (śmiech)
D.B.: O tym na pewno porozmawiamy w dalszej części naszej rozmowy. Wiemy już, że na Ziemi trzęsienia występują, co badają między innymi nasi koledzy i koleżanki z Instytutu. Jak wygląda sytuacja na innych planetach Układu Słonecznego?
H.C.: Zdziwilibyśmy się, ponieważ Układ Słoneczny jest dość sejsmiczny. Nie tylko Ziemia się trzęsie. Owszem, trzęsienia ziemi jako nazwa wydaje się być zarezerwowana dla naszej planety, ale wstrząsy sejsmiczne występują w różnych miejscach Układu Słonecznego, zapewne też kosmosu, choć tego do końca nie wiemy, bo nie byliśmy jeszcze aż tak daleko. Wiemy, że na pewno są wstrząsy na Marsie i Księżycu. Na Marsie mają nawet swoją nazwę – marsquakes. Istnieje też pojęcie moonquakes, czyli wstrząsy na Księżycu. Są też wstrząsy na księżycach niektórych planet takich jak Jowisz czy Saturn. Podejrzewamy, że taka aktywność może tam występować. Nie mamy akurat tego typu pomiarów, ale są hipotezy i teorie. Jest kilka prac opublikowanych na ten temat związanych z modelowaniem takich zjawisk. Również Merkury jest podejrzewany o aktywność sejsmiczną. Istnieje też cały dział nauki, który nazywa się heliosejsmologią. Polega to na badaniu struktur wewnątrz Słońca na bazie drgania plazmy i wibracji, więc ten dział zajmuje się sejsmologią słoneczną. Nie jest to odpowiednik naszej ziemskiej sejsmologii, ale jego celem jest zbadanie struktury wewnątrz Słońca.
D.B.: Wspomniałaś też o sejsmologii lunarnej. Czy nasz księżyc też się trzęsie?
H.C.: Tak. Zbadano nawet cztery różne typy wstrząsów na Księżycu. Misje Apollo pokazały po raz pierwszy coś takiego, bo wtedy wysłano pierwsze sejsmometry. Pierwszy z nich działał zaledwie przez trzy tygodnie, po czym uległ przegrzaniu. Ogólnie warunki na Księżycu nie są zbyt przyjazne dla życia, w związku z czym dla instrumentów również nie są komfortowe. Sejsmometr, który wysłano po raz pierwszy w 1969 roku w misji Apollo 11, miał wytrzymać wysokie temperatury. Nie udało się. Kolejne misje Apollo pozwoliły na więcej badań nad wstrząsami na Księżycu. I stąd wiemy o istnieniu czterech rodzajów wstrząsów, o których wspominałam. Pierwszy jest związany z uderzeniami meteorytów, czyli wspomnianymi impaktami. Drugi z wahaniami temperatur, ponieważ temperatura po stronie dziennej i nocnej księżyca jest inna i jest spora dynamika ich zmian.
D.B.: Czy te różnice temperatur są duże?
H.C.: Nie pamiętam dokładnych wartości, ale wspomniany sejsmometr, a właściwie urządzenia, które tam poleciały, miały wytrzymać w temperaturze -54°C i były podgrzewane, żeby utrzymać tę temperaturę. Gdyby temperatura dla instrumentu była jeszcze niższa, nie byłyby w stanie pracować. Użyto tam radioźródła, żeby wykorzystać podgrzanie radioizotopami. To była pierwsza misja załogowa, w której użyto technologii nuklearnych, żeby utrzymać temperaturę i móc prowadzić pomiary, ponieważ sejsmometry są czułe na wahania temperatur.
Wracając jeszcze do rodzajów wstrząsów na Księżycu, mówiliśmy o impaktowych i związanych z temperaturą. Kolejne są powiązane z siłami pływowymi. Są też takie, nie znamy ich dokładnego pochodzenia, które są płytkie, dość długie i mogą być problematyczne, gdy myślimy o ewentualnej infrastrukturze. To ich przede wszystkim należy się obawiać przy jej projektowaniu. Każda infrastruktura zbudowana na innej planecie niż Ziemia to infrastruktura krytyczna ze względu na to, że podtrzymuje ludzkie życie. Jej zniszczenie spowodowałoby rozmaite problemy. Dlatego każda struktura, którą człowiek miałby zasiedlić poza Ziemią, musi podtrzymywać życie. To jest czynnik, który trzeba brać pod uwagę w przyszłej kolonizacji innych planet.
D.B.: Do infrastruktury krytycznej jeszcze wrócimy, teraz chciałabym Cię zapytać o tę pierwszą misję, w ramach której były wysłane sejsmometry. Wspomniałaś, że uległy przegrzaniu.
H.C.: Tak, to było podczas pierwszej misji, ale już w czasie kolejnych sejsmometry mierzyły, więc trochę danych udało się zebrać. To jest przykład pierwszego sejsmometru wysłanego przez ludzi poza Ziemię. Kolejne były próby marsjańskie.
D.B.: Jaki był ich wynik?
H.C.: Na początku była misja Viking, a właściwie Viking 1 i 2. Na dwóch lądownikach Vikingów były sejsmometry. Pierwszego instrumentu, który wylądował, nie udało się odblokować i nie wykonywał pomiarów. Niewiele później wylądował Viking 2 i udało się go uruchomić. Niestety, był niewłaściwie umiejscowiony, a całość źle zaprojektowano, bo sejsmometr znajdował się na nodze lądownika i zbierał przede wszystkim szumy – nie tylko wiatru, ale też te związane z operacjami wykonywanymi na Vikingu. W związku z czym okazał się dobrą stacją pogodową, ale słabym sejsmometrem. (śmiech) Mimo to coś zarejestrował, choć do końca nie jest pewne, czy to był wstrząs, i na podstawie tego jednego zjawiska, które było podejrzewane o bycie zjawiskiem sejsmicznym, postanowiono kontynuować badania marsjańskiej sejsmologii. To był zalążek kolejnej misji Mars 96, która była wyposażona w sejsmometr o nazwie OPTIMISM.
D.B.: Nazwa znacząca.
H.C.: Liczono, że uda się zarejestrować jakiekolwiek wstrząsy. Niestety misja Mars 96 nie doleciała do Czerwonej Planety, razem z sejsmometrem OPTIMISM wylądowała w Pacyfiku. Warto zauważyć, że sejsmometr już lepiej zaprojektowano niż te na Vikingach. Zanim doszło do obecnej misji, czyli InSight, był pomysł związany z misją NetLander. Była to bardzo złożona misja typu sample return w późnych latach 90. Miała wrócić z próbkami. W jej ramach był też komponent sejsmologiczny i geofizyczny. Chciano umieścić pierwszą sieć sejsmologiczną poza Ziemią. Była to sieć czterech sejsmometrów zbudowanych na bazach tego, co miało być w OPTIMISM. To były dobre sejsmometry. Planowano rozmieścić je w trójkącie 1000 kilometrów od siebie, ostatni na antypodzie. Niestety, misja została zawieszona, ponieważ na etapie związanym z sample return pojawiły się problemy i NASA stwierdziła, że nie da rady tego przeprowadzić. Miała to być misja krótkoterminowa, więc odłożono ją na półkę. Później na bazie doświadczeń z Mars 96 i NetLandera zbudowano kolejny sejsmometr – SEIS. Został umieszczony na InSight.
D.B.: Zatem jak jest z tą “cichością” Marsa?
H.C.: Wcale nie jest tam tak cicho, jak się wydawało. Zaprojektowano sejsmometr, który umieszczono bezpośrednio na powierzchni Marsa, co też było dużym postępem w stosunku do poprzednich misji. Udało się zbudować lądownik, który umieścił sejsmometr na marsjańskiej powierzchni, po czym umieszczono nad nim WTS – Wind and Thermal Shield. Ta 10-kilogramowa kopuła miała dodatkowo chronić sprzęt przed wiatrem, wahaniami termicznymi i zapewnić ciszę podczas pomiarów, tak żeby sejsmometr był jak najmniej narażony na klimat marsjański. WTS umieszczono nad przyrządem i okazało się, że na tym cichym Marsie dało się usłyszeć ponad 1300 wstrząsów.
D.B.: Czy ich magnitudę udało się ustalić?
H.C.: Największa, którą oszacowano, wynosiła 5. Co ciekawe, wstrząsy, które występują na Marsie, inaczej zachowują się niż te na Ziemi. Mogą trwać dość długo. Fala sejsmiczna wygenerowana w źródle sejsmicznym może odbijać się po Marsie, jak w przypadku magnitudy 5, przez 6 godzin. Jest to zupełnie inne tłumienie niż u nas. To również duże wyzwanie. Jeżeli wstrząsy trwają dłużej niż parę minut i to przy takiej magnitudzie, jest to bardzo trudny przypadek dla inżynierów, którzy będą konstruować bazy kosmiczne.
D.B.: Niby niedużo, ale z pewnością całość nie jest łatwa w transporcie.
H.C.: Pewnie to przewidziano, choć takie planowanie nie jest łatwe. WTS musi mieć przestrzeń między sejsmometrem a tarczą wynoszącą minimum 6 cm. Sama osłona ma około 70 cm średnicy i 33 cm wysokości. W dodatku trzeba było ją zdjąć i precyzyjnie postawić nad sejsmometrem. To kolejny etap, który mógł się nie powieść, ale jednak się udało. Dane z SEIS są dostępne, można je pobrać ze strony NASA. To bardzo duży zbiór informacji, z którego z pewnością można skorzystać.
D.B.: Wcześniej wspomniałaś o Merkurym. Co wiemy o trzęsieniach na tej planecie?
H.C.: Jest to pośrednia obserwacja, gdy w 2016 roku sonda Messenger zrobiła zdjęcie skarpy, która prawdopodobnie pochodzi z uskoku odwróconego. Mówi się o tym, że na Merkurym może być aktywność sejsmiczna. Bezpośrednimi obserwacjami na chwilę obecną nie dysponujemy. Ale skoro są uskoki, może być aktywny geologicznie.
D.B.: Czy badania sejsmiczności innych planet dają nam wiedzę o Ziemi i w jakiś sposób mogą wpłynąć na ulepszenie technologii pomiaru sejsmiczności?
H.C.: Jest na odwrót. Badania na Ziemi są bardzo potrzebne, żebyśmy mogli sprawdzić to, co jest w kosmosie. Jest to nasze naturalne laboratorium, które jest niezwykle pomocne. Oczywiście, sejsmiczność planet się różni, co widać chociażby na przykładzie już wcześniej wspomnianego Marsa. To, co robimy tutaj, ma znaczenie dla tego, co będziemy robić później. Mamy możliwości modelowania komputerowego, które zapewne będziemy wykorzystywać. Zrozumienie innych planet niekoniecznie pomoże nam zrozumieć Ziemię lepiej niż ona sama.
D.B.: Wróćmy jeszcze do infrastruktury krytycznej na innych planetach. Czy i na ile głos naukowców – sejsmologów – jest brany pod uwagę w planach przyszłej kolonizacji innych planet, a zwłaszcza Marsa? Zdaję sobie sprawę, że proces przygotowawczy jest długi i wymaga wzięcia pod uwagę wielu różnych elementów.
H.C.: Ponieważ prowadzi się badania sejsmologiczne na innych planetach, zakładam, że w jakimś stopniu tak, ale jeszcze nie myśli się w kontekście wspomnianego ryzyka. Na razie może to być ciekawość, chęć zrozumienia tego, co się tam dzieje, jakie procesy geologiczne i geofizyczne tam zachodzą. Być może później rola sejsmologów się zwiększy na kolejnych etapach przygotowawczych do misji załogowych. Na chwilę obecną największym wyzwaniem jest wydostanie się z naszych pasów radiacyjnych i polecenie dalej niż na Księżyc. Trzeba tam nie tylko dolecieć, zbudować coś, ale przede wszystkim przeżyć. Aby to osiągnąć, trzeba mieć bardzo dobry sprzęt. W tym momencie mówi się bardzo dużo o osiedleniu się na Marsie czy Księżycu, ale uważam, że to jeszcze potrwa. Dużo czasu minie, zanim zaczniemy mówić o ryzyku sejsmicznym w kontekście budowy infrastruktury. Istotniejszym problemem jest promieniowanie kosmiczne, które jest niebezpieczne dla człowieka.
D.B.: Nie mówiąc już oczywiście o kwestiach psychologicznych, które w misjach załogowych są niezwykle istotne. Zbliżając się już do końca naszej rozmowy, chciałam Cię zapytać o kolejne misje, które są aktualnie planowane bądź realizowane, a które dotyczą badania zjawisk sejsmicznych w Układzie Słonecznym.
H.C.: Aktualnie NASA pracuje nad kolejną misją – Farside Seismic Suite to kolejny sejsmometr, który będzie badał Księżyc po jego dalszej stronie (stąd nazwa). Ponieważ podczas misji Apollo zarejestrowano wstrząsy, które mogły pochodzić z dalszej strony Księżyca, postanowiono przyjrzeć się temu zagadnieniu. To pierwsza misja tego typu. Księżyc jest teraz mocno “rozchwytywany” ze względu na planowany program załogowy. Jest bliżej, wiemy, że można się tam dostać, więc badania sejsmologiczne będą istotne pod kątem budowy ewentualnej przyszłej infrastruktury. Mówi się na przykład, że na Księżycu powinna powstać baza wypadowa na Marsa. Brzmi to trochę jak science fiction, ale kto wie? Cieszę się, że wróciliśmy do badań na Księżycu i sejsmometry znalazły w nich swoje miejsce.
D.B.: Bardzo dziękuję za rozmowę.