Глубоко под землей в Таунсенде, штат Теннесси, спрятанное в темном углу извилистой системы пещер в двух шагах от Национального парка Грейт-Смоки-Маунтинс, чудо техники соседствует с чудом природы: AS107, один из самых - если не самый - чувствительных сейсмографов в мире.
Если бы вы были одним из тысяч посетителей, которые посещают пещеру каждый месяц, вы, вероятно, даже не поняли бы, что она здесь есть. Неприметный металлический ящик стоит на естественной полке в стороне от основной пешеходной дорожки, спрятанный в тени. Единственным намеком на то, что в темных проходах находится такое чувствительное оборудование, является подключенная станция считывания, тихо записывающая данные в углу центра для посетителей.
Но станция Tuckaleechee - это не просто периферийный туристический объект для увлеченных геологов: Она держит руку на пульсе сейсмологической активности США и является важным оборудованием для национальной и международной безопасности.
Почему сейсмограф был установлен в пещерах Тукалечи? Там тихо, известняк твердый и чистый, и поблизости нет разрушительных океанских волн. Поиск идеальной пещеры
Двое детей, Билл Вананда и Гарри Майерс, впервые погрузились в глубины пещеры в 1930-х годах с газовыми фонарями и духом приключений. Они превратили пещеру в достопримечательность, которой она является сегодня, но владелец пещеры Бенджамин Вананда, энтузиаст геологии с южным акцентом, быстро говорящий и внук Вананды, сейчас стоит за стойкой регистрации, готовый и жаждущий поболтать обо всем сейсмическом, начиная с сейсмографа.
Будка в пещере известна, в зависимости от того, какая из полудюжины или более организаций отслеживает собираемые ею данные, как SEISMICTKL или AS107 - вспомогательная сейсмическая станция 107, причем второе "S" разумно исключено из аббревиатуры. "У нас самый последовательный поток данных среди всех сейсмических станций", - говорит Вананда. "Она улавливает практически все, что сотрясает землю".
Как и большинство сейсмографов, AS107 улавливает тектонические сдвиги и записывает уникальную частотную характеристику каждого события. Как? Поскольку сейсмические волны распространяются концентрическими кругами по всей планете, чем дальше они проходят, тем ниже частота, регистрируемая сейсмографом. Например, событие, возникшее в Индонезии, будет считываться как низкая частота на сейсмографе в Теннесси, что, особенно при использовании в сочетании с другими сейсмографами по всему миру, помогает точно определить место возникновения землетрясения.
Вананда сравнивает сигналы с рябью, возникающей от брошенного в пруд камня: Чем дальше рябь от источника, тем шире и мягче она становится, и в конце концов рассеивается до уровня шепота. AS107 достаточно чувствителен, чтобы уловить океанские волны, разбивающиеся о пляж в Китае. Они будут слабыми, но они будут зарегистрированы.
Он также обнаружил возмущения вблизи дома, такие как местные оползни и взрывы в карьерах, а также загадочные бумы в 2018 году в Мэривилле, штат Теннесси, которые, по некоторым данным, могли быть небольшим землетрясением. В более широком масштабе он обнаружил ядерные испытания и взрывы по всему миру.
Сейсмическая станция в пещерах Тукалечи, однако, начиналась не как устройство для ядерного мониторинга. Первый аппарат был установлен в 1978 году, когда компания Tennessee Valley Authority хотела проследить, как вода, вытесняемая недавно построенными плотинами, влияет на тектонические плиты региона.
Грегу Штайнеру и Джиму Золлвегу, работавшим в Информационном центре по землетрясениям штата Теннесси, или TEIC (сейчас это Центр исследований и информации о землетрясениях), было поручено выбрать место для первой станции. Они выбрали пещеры после поездки на разведку, где заметили рекламу достопримечательности рядом со своим отелем.
"Пещера была бы идеальным местом", - вспоминает Штайнер. В то время в восточном Теннесси было не так много станций, а пещера обеспечивала более чистые показания, поскольку была защищена от ветра, что является заметной проблемой в Аппалачах. Подземная станция также означала меньшее количество помех, связанных с движением транспорта или строительством.
К тому времени, когда все оборудование было установлено и подключено, команда TEIC поняла, насколько идеальным было это место. Как вспоминает Штайнер, Золлвег воскликнул: "Ух ты, какое тихое место! Я никогда не видел такого тихого места".
Пещеры достаточно глубоки, чтобы уменьшить влияние антропогенного шума от заводов, железных дорог и автомагистралей, ни одна из которых даже не расположена поблизости. Более того, сейсмограф установлен на древней известняковой породе, которая обеспечивает чистое считывание природной активности с отличной реверберацией и отсутствием деградации сейсмических колебаний. Кроме того, сейсмограф находится вдали от побережья, где ветер и волны могут повлиять на данные.
Там также постоянно прохладно. "Датчик и оцифровщик Tuckaleechee установлен в пещере, где круглый год поддерживается постоянная температура около 59 градусов по Фаренгейту, что благоприятно для точности сейсмических измерений", - объясняет Паулина Биттнер, ведущий аналитик волновых форм в Договоре о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний (CTBTO). "Изменения температуры являются источником шума приборов".
Для долгой и весомой истории сейсмограф AS107 выглядит относительно невзрачно. Эволюция сейсмографа
Оригинальная станция Tuckaleechee представляла собой регистратор бумажно-стилусного типа, который гравировал сейсмологическую активность подобно пластинке. Когда земля двигалась, металлическая игла, установленная на раме, процарапывала запись ее движений на покрытом сажей листе, называемом дымовой бумагой.
Но заставить совладельцев пещеры Вананду и Майерса регулярно обрабатывать, отправлять и настраивать показания дыма оказалось проблематично. Хотя это и не было сложной работой, пещеры были открыты только с Дня памяти до Дня труда, а значит, некому было добавлять сажу в бумагу, менять записи и отправлять их в Университет Теннесси. В межсезонье установку переносили в дыру на заднем дворе Майерса.
Сейсмометр был заменен на версию технологии с ручкой и чернилами. Он был не таким точным, но менее трудоемким в эксплуатации - однокомпонентная система измеряла только движение тектонической активности вверх и вниз, а в 1981 году TEIC приобрела выделенную телефонную линию для передачи непрерывных показаний в университет.
После того, как в 1995 году Университет штата Теннесси в Ноксвилле взял на себя ответственность за мониторинг, технология была снова усовершенствована. Новый инструмент, широкополосный детектор, мог усиливать высокие частоты более отдаленных событий. Местные геологи обратили внимание на то, как тихо в этом месте, и рекомендовали ОДВЗЯИ вести мониторинг.
Правительство США стремилось следить за ядерными испытаниями других стран. В июне 2006 года модернизированная трехкомпонентная станция (которая использует три маятника для измерения всего диапазона движения сейсмических волн в вертикальном и горизонтальном направлениях, или трехмерном пространстве) была сертифицирована и подключена к Международной системе мониторинга, всемирной сети станций мониторинга. С тех пор она непрерывно передает данные - каждые 300 миллисекунд - через спутник правительству США, ОДВЗЯИ и другим организациям.
Кто следит за наблюдателем за землетрясениями?
В результате эта станция стала ценной для международной безопасности. По словам Биттнера, большая часть данных используется для обнаружения потенциальных нарушений Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний, точного определения местоположения этих событий и определения характеристик их сейсмических источников, чтобы помочь автоматически отсеять такие природные явления, как землетрясения.
Первоначально станция Tuckaleechee представляла собой регистратор типа "бумага и стилус", на котором сейсмологическая активность фиксировалась как на пластинке.
По словам Биттнера, за последний год данные AS107 помогли обнаружить 450 событий и уточнить местоположение 100 событий. Три из этих событий были обнаружением ядерных испытаний, объявленных Северной Кореей в 2016 и 2017 годах.
Сейсмические данные станции Tuckaleechee также могут помочь геологам оценить внутреннюю структуру Земли и возникающие на ней опасности, например, составить карту опасности и вероятности землетрясений. Она может обнаруживать и регистрировать землетрясения малой силы на расстоянии более 1000 миль, что может помочь ученым, геологам и сейсмологам больше узнать об этих природных явлениях, а также предупредить подверженные риску сообщества о надвигающихся цунами.
И все это из скромной пещеры в Теннесси.