Korelacja między trzęsieniami ziemi a promieniowaniem kosmicznym

Silne trzęsienia ziemi zazwyczaj skutkują wieloma ofiarami wśród ludzi i ogromnymi stratami materialnymi. Skalę tragedii można byłoby znacząco zredukować, gdybyśmy dysponowali możliwością przewidywania czasu i miejsca wystąpienia kataklizmu. W ramach projektu CREDO, zainicjowanego w 2016 roku przez Instytut Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie, podjęto próbę zweryfikowania znanej wcześniej hipotezy, mówiącej o potencjalnej możliwości przewidywania trzęsień ziemi za pomocą obserwacji zmian w... promieniowaniu kosmicznym. Analizy statystyczne wykazały, że zależność między zjawiskami rzeczywiście istnieje, przejawia jednak cechy, których nikt się nie spodziewał.

Międzynarodowy projekt CREDO (Cosmic Ray Extremely Distributed Observatory) to otwarte dla wszystkich wirtualne obserwatorium promieniowania kosmicznego, zajmujące się gromadzeniem i przetwarzaniem danych pochodzących nie tylko z wyrafinowanych detektorów naukowych, ale także rejestrowanych za pomocą dużej liczby mniejszych detektorów, wśród których prym wiodą matryce CMOS w smartfonach (aby przekształcić smartfon w detektor promieniowania kosmicznego wystarczy zainstalować bezpłatną aplikację CREDO Detector).

Do głównych zadań CREDO należy monitorowanie globalnych zmian w strumieniu wtórnego promieniowania kosmicznego docierającego do powierzchni naszej planety. Promieniowanie to powstaje w ziemskiej stratosferze najintensywniej w obrębie tak zwanego maksimum Regenera-Pfotzera, gdzie cząstki pierwotnego promieniowania kosmicznego zderzają się z molekułami gazów naszej atmosfery i inicjują kaskady cząstek wtórnych.

Na pierwszy rzut oka pomysł o istnieniu powiązania między trzęsieniami ziemi a promieniowaniem kosmicznym, w pierwotnej postaci docierającym do nas głównie ze strony Słońca oraz z głębi Wszechświata, może się wydawać dziwny. Jego podstawy fizyczne są jednak w pełni racjonalne.
podkreśla dr hab. Piotr Homola (IFJ PAN i AstroCeNT CAMK PAN), koordynator CREDO

Główna idea polega tu na spostrzeżeniu, że w ciekłym jądrze naszej planety płyną prądy wirowe, odpowiedzialne za generowanie ziemskiego pola magnetycznego. Pole to odchyla tory naładowanych cząstek pierwotnego promieniowania kosmicznego. Gdyby więc duże trzęsienia ziemi wiązały się z zaburzeniami przepływów materii napędzających ziemskie dynamo, to zaburzenia te zmieniałyby pole magnetyczne, co z kolei wpływałoby na tory cząstek pierwotnego promieniowania kosmicznego w sposób zależny od dynamiki zaburzeń we wnętrzu naszej planety. W rezultacie detektory naziemne powinny zauważyć pewne zmiany w liczbach rejestrowanych cząstek wtórnego promieniowania kosmicznego.

Fizycy z CREDO poddali analizie dane o natężeniu promieniowania kosmicznego z dwóch stacji projektu Neutron Monitor Database (zebrane w ostatnim półwieczu) oraz Pierre Auger Observatory (gromadzone od 2005 roku). O wyborze obserwatoriów zadecydował fakt, że są one rozmieszczone po obu stronach równika i posługują się różnymi technikami detekcyjnymi. W analizach uwzględniono zmiany aktywności słonecznej, opisane w bazie prowadzonej przez Solar Influences Data Analysis Center. Kluczowe informacje o ziemskiej aktywności sejsmicznej pochodziły z kolei z amerykańskiego programu U.S. Geological Survey.

Analizy zrealizowano z użyciem kilku technik statystycznych. W każdym przypadku dla badanego okresu pojawiła się wyraźna korelacja między zmianami natężenia wtórnego promieniowania kosmicznego a sumaryczną magnitudą wszystkich trzęsień ziemi o magnitudach 4 bądź wyższych. Co istotne, korelacja ta staje się widoczna dopiero wtedy, gdy dane dotyczące promieniowania kosmicznego zostaną przesunięte o 15 dni do przodu względem danych sejsmicznych. To dobra wiadomość, ponieważ sugeruje możliwość wykrywania z dużym wyprzedzeniem nadchodzących trzęsień ziemi.

Niestety, z przeprowadzonych analiz nie wynika, czy będzie można wskazać miejsce wystąpienia kataklizmu. Korelacje między zmianami natężenia promieniowania kosmicznego a trzęsieniami ziemi nie są bowiem widoczne w analizach dotyczących konkretnych lokalizacji. Pojawiają się one dopiero wtedy, gdy aktywność sejsmiczną uwzględnia się w skali globu. Fakt ten może oznaczać, że w zmianach natężenia promieniowania kosmicznego widać zjawisko, któremu nasza planeta ulega jako całość.

W świecie nauki przyjmuje się, że o odkryciu można mówić wtedy, gdy poziom statystycznej ufności potwierdzających je danych sięga pięciu sigma, czyli odchyleń standardowych. My dla zaobserwowanej korelacji otrzymaliśmy więcej niż sześć sigma, co oznacza szansę mniejszą niż jedna na miliard, że korelacja jest dziełem przypadku. Mamy zatem bardzo dobre podstawy statystyczne by twierdzić, że odkryliśmy rzeczywiście istniejące zjawisko. Pytanie tylko, czy na pewno takie, którego się spodziewaliśmy?
dr hab. Piotr Homola

Okazuje się bowiem, że globalny charakter zaobserwowanego zjawiska oraz 15-dniowe wyprzedzenie aktywności sejsmicznej, widoczne w promieniowaniu kosmicznym, to niejedyne intrygujące zagadki związane z odkryciem. Sporym zaskoczeniem jest wielkoskalowa cykliczność korelacji – zjawisko, którego nikt się nie spodziewał. Z analiz wynika bowiem, że maksimum korelacji pojawia się co 10-11 lat, czyli w cyklu zbliżonym do cyklu aktywności słonecznej. Jednak wcale nie pokrywa się ono z maksimum aktywności naszej gwiazdy!

Co więcej, zarówno w danych o promieniowaniu kosmicznym, jak i w danych sejsmicznych występują inne wspólne periodyczności o nieznanej naturze. Przykładem mogą być okresowe zmiany aktywności sejsmicznej oraz natężenia wtórnego promieniowania kosmicznego w cyklu odpowiadającym ziemskiej dobie gwiazdowej (równej 24 godzinom bez ~236 sekund). Czyżby więc korelacje kosmiczno-sejsmiczne były wywoływane przez jakiś czynnik docierający do nas spoza Układu Słonecznego, zdolny jednocześnie wywoływać efekty radiacyjne i sejsmiczne? Tylko jakie konwencjonalne zjawisko fizyczne mogłoby choćby jakościowo tłumaczyć widoczne korelacje?

Brak klasycznych wyjaśnień zauważonych cykliczności prowokuje do rozważenia ewentualnej roli innych, mniej konwencjonalnych zjawisk. Jednym z nich mogłoby być przechodzenie Ziemi przez strumień ciemnej materii modulowany przez Słońce i inne masywne ciała naszego układu planetarnego. Ziemia z jej wrażliwym polem magnetycznym to wyjątkowo czuły detektor cząstek, wielokrotnie większy od detektorów budowanych przez człowieka. Należy więc dopuścić możliwość, że może on reagować na zjawiska niewidoczne dla dotychczas używanych urządzeń pomiarowych.

Niezależnie od źródła obserwowanych cykliczności, na tym etapie badań najważniejszy jest fakt, że wykazaliśmy powiązanie między promieniowaniem kosmicznym rejestrowanym przy powierzchni naszej planety a jej sejsmiką – i jeśli czegoś możemy być pewni to tego, że nasza obserwacja wskazuje na zupełnie nowe, ekscytujące możliwości badawcze.
podsumowuje dr Homola

Źródło: Instytut Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk