Сигнал и шум. Почему одни прогнозы сбываются, а другие – нет - Нейт Сильвер

На самом деле сейсмологи заинтересованы иметь то, что Сьюзен Хоф называет «Святым Граалем» сейсмологии, – прогнозы, связанные со временем, согласно которым вероятность землетрясения не считается равномерно распределенной во времени. Даже те из них, кто скептично относится к возможности делать подобные прогнозы, признают, что в распределении землетрясений по времени присутствуют определенные закономерности. А самая очевидная из них – наличие повторных сейсмических ударов (также называемых афтершоками).

После крупных землетрясений почти всегда возникают десятки или даже тысячи афтершоков (после землетрясения 2011 г. в Японии ученые насчитали не менее 1200). Эти афтершоки следуют довольно предсказуемой тенденции{332}. Они возникают значительно чаще сразу же после землетрясения, чем через несколько дней после него, и значительно чаще, чем через несколько недель.

Однако знание этого обстоятельства не особенно помогает нам, когда речь заходит о спасении человеческих жизней. Прежде всего потому, что афтершоки, по определению, всегда слабее изначального землетрясения. Обычно, если какой-то разлом земной коры вызывает достаточно мощное землетрясение, количество афтершоков будет небольшим, и на какой-то момент в регионе воцарится спокойствие. Однако так происходит не всегда. Например, невероятно сильное землетрясение, произошедшее в районе Нью-Мадридского геологического разлома на границе штатов Миссури и Теннесси 16 декабря 1811 г. и оцененное сейсмологами в 8,2 балла, произошло всего через шесть часов после другого удара примерно той же силы. Но на этом дело не закончилось – после землетрясений 16 декабря произошло еще одно землетрясение силой 8,1 балла (23 января), а затем еще одно, даже более мощное – силой 8,3 балла (7 февраля). Какие из них можно было бы считать предвестниками, а какие – афтершоком? Любая версия будет в данном случае бессмысленной.

Разумеется, главный вопрос состоит в том, способны ли мы предсказать землетрясения заранее и можем ли мы отличить предвестника от афтершока? И когда мы смотрим на данные по распределению землетрясений во времени и пространстве, у нас появляется искушение предположить, что в шуме может иметься какой-то сигнал.

Например, на рис. 5.3a показано распределение землетрясений, произошедших вблизи Л’Акуилы{333} за период с 2006 г. до момента возникновения землетрясения 2009 г. магнитудой 6,3 балла{334}. На графике кружками, за исключением большого черного круга (относящегося к основному землетрясению), отмечены время и магнитуда других землетрясений, произошедших ранее. В случае Л’Акуилы ситуация представляется довольно ясной. Непосредственно перед ударом 2009 г. в регионе произошел целый ряд землетрясений силой до 4 баллов – что было значительно выше прежнего уровня сейсмической активности.

Рис. 5.3а. Соотношение между землетрясениями, произошедшими вблизи Л’Акуилы (Италия) за период с 1 января 2006 г. по 6 апреля 2009 г., и их магнитудами

Менее очевидной представляется ситуация с землетрясением 2011 г., произошедшим в Японии. На графике, сделанном для региона Тохоку (рис. 5.3б), мы прежде всего видим, что эта местность сейсмически более активна, чем окрестности Л’Акуилы в Италии. Однако можно ли выявить на нем какие-то закономерности в распределении землетрясений по времени? Судя по всему, да; например, выделяется группа землетрясений силой от 5,5 до 7 баллов, произошедших в середине 2008 г. Однако они не сопровождались более масштабным землетрясением. При этом заметен особенно крупный предварительный толчок силой 7,5 балла (9 марта 2011 г.), случившийся примерно за 50 часов до землетрясения магнитудой 9,1 балла в Тохоку{335}.

Рис. 5.3б. Соотношение между землетрясениями, произошедшими вблизи Тохоку (Япония) за период с 1 января 2006 г. по 11 марта 2011 г., и их магнитудами

Однако заметные предвестники возникают лишь у половины значительных землетрясений{336}. На Гаити их не было (рис. 5.3в). К сожалению, в большинстве карибских регионов имеется недостаточно инструментов для проведения замеров, поэтому у нас нет данных о землетрясениях магнитудой 2 и 3 балла, однако сейсмометры в США и других регионах способны уловить колебания на уровне 4 баллов и больше. Последний раз землетрясение магнитудой 4 балла в этом регионе зарегистрировано в 2005 г., то есть за пять лет до 7-балльного землетрясения 2010 г. Иными словами, не было никаких предупреждающих сигналов.

Еще сильнее ситуацию усложняют ложные сигналы – периоды повышенной сейсмической активности, не завершающиеся значительными толчками. Сейсмологи отлично помнят целый ряд небольших землетрясений, произошедших около города Рино, штат Невада, в начале 2008 г.

Рис. 5.3 в. Соотношение между землетрясениями, произошедшими вблизи Леогана (Гаити) за период с 1 января 2000 г. по 12 января 2010 г., и их магнитудами

«Рой землетрясений» в Рино напоминает тот, что наблюдался в Л’Акуиле в 2009 г. Однако он так и не привел ни к чему значительному; самое значительное землетрясение в серии имело магнитуду 5,0 (рис. 5.3 г).

Рис. 5.3 г. Соотношение между землетрясениями, произошедшими вблизи Рино, штат Невада, за период с 1 января 2006 г. по 31 декабря 2011 г., и их магнитудами

И это всего лишь часть того невообразимого массива данных, с которым работают сейсмологи. Он ввергает их в мучительное состояние: с одной стороны, этот массив не случаен, а с другой – недостаточно предсказуем. Возможно, мы могли бы хоть как-то продвинуться вперед в области прогнозирования землетрясений, даже если и не получится делать точные предсказания. Однако все прежние попытки предсказать землетрясения почти всегда завершались полной неудачей.

Парад неудачных прогнозов

Изданная в 2009 г. книга Сьюзен Хоф «Предсказывая непредсказуемое: волнующая всех наука о предсказаниях землетрясений» (Hough S. «Predicting Unpredictable: Tumultuous Science of Earthquake Prediction») представляет собой своеобразную историю попыток предсказать землетрясения, и, судя по всему, они оказались ненамного успешнее, чем прогнозы политических экспертов, о которых писал Фил Тетлок в своем исследовании.

В общем, в этой области в целом особый прогресс не наблюдается, однако можно увидеть много ложных сигналов.

Лима, Перу

Один из самых печально известных случаев неудачных прогнозов связан с Брайаном Брэди, получившим докторскую степень в МТИ и работавшим в Колорадском горном училище. По его расчетам, в 1981 г. в районе столицы Перу Лимы должно было произойти землетрясение магнитудой 9,2 балла – одно из крупнейших за всю историю наблюдений{337}. Поначалу его предсказание получило определенную поддержку в сейсмологическом сообществе – ее ранняя версия была создана в сотрудничестве с ученым из USGS. Однако затем Брэди начал включать в нее множество новых элементов – от анализа горных пород, которые он исследовал в годы занятий горным делом, до теории относительности Эйнштейна. По мере того как теория становилась все более сложной, коллеги начали все чаще говорить ему о том, что перестают понимать ее суть{338}: то есть, мягко говоря, что он сошел с ума. В какой-то момент Брэди предсказал, что землетрясение магнитудой 9,2 балла будет лишь первым в ряду землетрясений в Перу, а кульминацией станет рекордное землетрясение в августе 1981 г. магнитудой 9,9 балла{339}.

Предсказание просочилось в перуанские СМИ и изрядно напугало население; казавшийся серьезным американский ученый был убежден, что столица страны скоро окажется в руинах. Их тревога лишь усилилась после новостей о том, что перуанский Красный Крест в рамках подготовки к возможному бедствию затребовал 100 тыс. мешков для захоронения трупов. Снизился наплыв туристов, и упали цены на недвижимость{340}. Со временем правительство США отправило в Перу группу ученых и дипломатов с целью успокоить нервы жителей. Новость о том, что в 1981 г. Большое Перуанское землетрясение так и не произошло (равно как и небольшое), попала на первые страницы многих газет.

Паркфилд, штат Калифорния

Несмотря на то что история в Лиме наглядно показала, что ложные тревоги оказывают значительное психологическое и экономическое влияние на население, сейсмологи продолжили поиски святого Грааля. Если Брэди можно было назвать одиноким волком, то известны и другие случаи, когда предсказание землетрясения получало более явную поддержку со стороны USGS и широкого сейсмологического сообщества. Однако и среди них трудно найти примеры удачных предсказаний.