Работы по исследованию так называемых тектонических аэрозолей (взвесей твердых частиц или микрокапель жидкости в воздухе) для прогнозирования природных катастроф начались около тридцати лет назад. Сама идея метода казалась довольно очевидной. Незадолго до землетрясения земная кора начинает деформироваться - сжиматься или растягиваться. В ней возникают микротрещины, через которые вытекают содержащиеся в горных породах газы - водород, углекислый газ, метан, гелий. С собой они выносят твердые микрочастицы. Так возникают тектонические аэрозоли. Их возрастающую концентрацию и удается обнаруживать приборами за несколько суток до землетрясений и вулканических извержений.
Одним из первых исследовать элементный состав аэрозолей, возникающих при вулканической деятельности, начал выпускник физического факультета МГУ Владимир Алексеевич Алексеев. Во время извержений вулкана Толбачик на Камчатке в конце 70-х - начале 80-х годов он увидел над трещинами, тянувшимися на многие километры, облака аэрозолей. Все они должны осаждаться первым снегом: он вымывает из атмосферы почти все посторонние примеси. Выделив аэрозоли, осевшие во время снегопада, можно точно узнать их состав, понять, как они распределены, как связаны с розой ветров.
Для проверки новой идеи в 1981 году была организована экспедиция на камчатский вулкан Авача. Но шел сентябрь, и снег все не выпадал. Тогда Владимир Алексеевич и принял решение: идти на вершину, к самому кратеру, и собирать пробы там. Это было опасно - могли сойти лавины. Сопровождать его вызвалась однофамилица Алексеева, Нина Григорьевна, сотрудник другого института, которая тоже занималась аэрозолями. Вместе они штурмовали вершину Авачи, вместе отбирали пробы. Нина Григорьевна вошла потом в коллектив Владимира Алексеевича в подмосковном Троицком - филиале Института атомной энергии им. И. В. Курчатова, став неизменным спутником Алексеева практически во всех экспедициях. Но уже та первая работа вскоре была признана основополагающей, потому что именно тогда впервые удалось определить количественные характеристики аэрозолей. Для подтверждения полученных результатов потребовалось, однако, продолжить исследования в начале 90-х годов, в период активной вулканической и сейсмической деятельности на Камчатке. Вулканологи в тот момент измеряли деформации поверхности на профиле длиной более двух километров в двадцати километрах от вулкана Авача. Оказалось, что концентрация микроэлементов в аэрозолях практически постоянна за весь сезон снегонакопления, и только два момента резко выделялись аномальными значениями. Один пришелся на время извержения вулкана - это был январь 1991 года. А значительный выброс в декабре 1990 года практически стал предвестником готовящегося извержения. Произошел он одновременно с началом сильных деформаций: выход аэрозоля действительно происходит при изменении напряженного состояния геологической среды. Само же извержение произошло, как ни странно, практически без деформаций. Таким образом, извержение вулкана Авача не смогли предсказать никакие геофизические методы, кроме исследования аэрозолей. Изменения их состава и связанных с ними электромагнитных характеристик атмосферы стали верными признаками грядущих разрушительных событий.
Для исследований каждый раз приходилось ждать первого снега. Поэтому, когда в начале 80-х позвонили из Крыма и сообщили, что там прошел обильный снегопад, "команда" (в кавычках, потому что в составе ее было по-прежнему только двое Алексеевых) в тот же день вылетела на полуостров и начала изучать уже другой, казалось бы, тип тектонических аэрозолей, связанных с грязевым вулканизмом.
Владимир Алексеевич вспоминает, что, когда они туда прилетели, снега намело выше колена. С трудом найдя разломы, на которых работали раньше, отобрали пробы, проанализировали. Оказалось, что большой вулкан Авача выбрасывает в год с аэрозолями столько же металла, сколько маленькие грязевые вулканы, связанные с крымской тектоникой.
А после исследований в эпицентре крупного землетрясения в Кум-Даге в 1983 году стало понятно не только то, что аэрозоли действительно появляются перед землетрясениями, но и то, что они связаны с местом выхода радона примерно в 750 километрах. Весь огромный разлом - от Ашхабада до Крыма - "работает" как предвестник землетрясения!
Там же, в Крыму, зародилась и еще одна идея. Аэрозоли служат ядрами конденсации водяных паров. И, значит, над разломами должна возникать повторяющая их форму своеобразная "тектоническая" облачность. Математическое подтверждение этому совсем недавно нашли коллеги из Московского государственного университета. Совместно с ними был проведен анализ плотности облаков, возникающих перед землетрясением, за пятьдесят лет наблюдений. Исследования показали, что перед землетрясением, примерно за двое суток, действительно образуется именно такая облачность.
А дальше исследователи стали изучать, как аэрозоли влияют на жизнь. Ведь исходящие из зон тектонической активности аэрозоли накапливаются и микроорганизмами и растительностью - мхами, лишайниками, травой и листьями. Чтобы выяснить, как они влияют на здоровье людей, совместно со специалистами из Института физики Земли создали своего рода "полигон" в Туркмении. Были проанализированы медицинские карточки детей за двадцатилетний период. Именно детей, потому что они еще не подвержены влиянию табачного дыма, легкие у них чище. А поскольку официальная статистика часто неверна, пришлось заново просмотреть тысячи детских карточек.
В итоге кропотливой работы было показано: как только начинается тектоническая активность, у детей сразу возрастает количество легочных заболеваний. Это очень важный момент - никто тогда и не предполагал, что многие болезни могут быть связаны именно с аэрозольными выбросами.
Для более детального изучения аэрозольных аномалий в нижней атмосфере, сопровождающих тектонические процессы, в 2001 году группа Алексеева вместе с сотрудниками Института космических исследований РАН провели лазерные исследования в двух сейсмических районах Российской Федерации - Тамани и Дагестане, в которых постоянно происходят небольшие землетрясения с магнитудой 2-4. (Магнитуда определяет количество энергии, которое выделяется во время землетрясения). Для измерений использовались портативный лидар (лазерный локатор) с дальностью действия около двух километров и лазерный аэрозольный нефелометр - прибор для измерения концентрации частиц в аэрозоле и определения их формы и размера по интенсивности рассеянного ими света.
В ходе экспериментов, проведенных совместно с Институтом оптики атмосферы Сибирского отделения РАН, исследователи установили, что концентрация атмосферных аэрозолей в области тектонических разломов резко возрастает (порой в два раза!) за несколько часов до землетрясения. Одновременно меняются и другие физические характеристики атмосферы. В несколько раз увеличивается электропроводность воздуха, а напряженность электрического поля атмосферы заметно уменьшается. В воздухе растет содержание радона и сероводорода. И все эти изменения прослеживаются до высоты около километра. Однако более слабые землетрясения (с магнитудой 1,0-1,5) подобных закономерностей пока не выявили.
Теперь исследователи окончательно установили: деформации в земной коре сопровождаются аэрозольными выбросами. Но для надежных предсказаний нужно исследовать эти гигантские разломы в целом, по всей длине, изучать космическими методами, потому что только из космоса видны такие большие пространства. Ведь только рассмотрев всю динамику разлома полностью, а не частично, как сейчас, можно дать прогнозы хотя бы за несколько суток.
В начале 90-х годов коллектив Института оптики атмосферы совместно с СКБ "Оптика" и НИИ космического приборостроения создали первый российский космический лидар - лазерный локатор БАЛКАН (Бортовой аэрозольный лидарный комплекс академии наук). 20 мая 1995 года он был успешно выведен на орбиту и сразу же вошел в перечень достижений Академии наук.
В составе модуля "Спектр" орбитальной станции "Мир" БАЛКАН успешно отработал до 1997 года. Свой ресурс он еще далеко не выработал, когда грузовой корабль "Прогресс" во время отработки операции стыковки врезался в станцию "Мир" (см. "Наука и жизнь" № 12, 1997 г.). В модуле "Спектр" образовалась пробоина, и его пришлось загерметизировать, "похоронив" там все научные результаты. БАЛКАН ушел на дно Мирового океана вместе с уникальной станцией "Мир".
Сотрудники лаборатории оптического зондирования атмосферы Института оптики атмосферы Сибирского отделения РАН со дня основания института занимались разработкой локаторов наземного, самолетного и космического базирования. Авиационные системы лазерного зондирования оказались чрезвычайно полезными для исследований в области метеорологии, экологии, физики атмосферы и океана. А если подобные системы развернуть на орбитальных станциях, возможности глобального и систематического мониторинга значительно расширятся.
В этом направлении уже есть серьезные наработки. Ведь кроме лидара БАЛКАН примерно в то же время в составе модуля "Природа" станции "Мир" работал российско-французский лидар ALISSA, выведенный на орбиту в мае 1996 года. В сентябре 1994 года был осуществлен первый, достаточно успешный орбитальный эксперимент по многочастотному лазерному зондированию всей толщи земной атмосферы с борта американского космического корабля серии "Шаттл". Он сопровождался сеансами синхронного наземного и самолетного лидарного зондирования, в том числе проведенными сотрудниками томского Института оптики атмосферы.
Российские исследователи предложили вести подобные наблюдения с помощью малых космических аппаратов, размещенных на орбите в шестистах километрах от поверхности Земли. Для этой цели они предложили создать специализированный метеорологический лидар.
Чтобы уточнить связи между характеристиками аэрозольных полей в атмосфере и геофизической активностью, на юге Байкала, который известен своей сейсмической неустойчивостью, в районе 106-го километра Кругобайкальской железной дороги, развернут полигон. Он объединит в единую измерительную систему датчики на суше, в воде и в приземной атмосфере. Датчики будут измерять как классические параметры тектонической активности, так и нетрадиционные, связанные с оптикой воздуха и воды, электрическими полями в них и электропроводностью мантии. Результаты этих полевых исследований станут основой для выбора параметров излучения лидара.
Российское космическое агентство в своей программе "Эталон" уже создает проекты сети малых специализированных спутников с электрическими, магнитными, оптическими и прочими детекторами для предсказания и обнаружения мест проявления земных катаклизмов, и в первую очередь - землетрясений. Один из спутников этой сети под названием "Тектоника-А" предполагается оснастить многочастотным лидаром, работающим в долговременном автоматическом режиме. Одной из его целей станет обнаружение и, по возможности, прогнозирование естественных и антропогенных катастроф, сопровождающихся мощными выбросами аэрозолей в нижние слои тропосферы.
