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

Официальная позиция USGS еще более эмпатична – согласно ей, землетрясения невозможно предсказать. «Ни USGS, ни представителям Калифорнийского института, а также никаким другим ученым никогда не удавалось предсказать значительное землетрясение, – утверждается на сайте организации{321}. – Неизвестно, как это делать, и мы не ожидаем, что будем знать, как это делать, в обозримом будущем».

Действительно ли предсказывать землетрясения невозможно? Эта книга рассказывает о предсказаниях, а не занимается предсказаниями, однако сейчас я хочу выступить с заявлением – я прогнозирую, что в следующем году в Японии будет больше землетрясений, чем в Нью-Джерси. Я также предсказываю, что в какой-то момент в течение следующей сотни лет серьезное землетрясение произойдет где-то в Калифорнии{322}.

Мы вместе с USGS играем в семантические игры. Понятия «предсказание» и «прогноз» по-разному используются в различных областях человеческой деятельности; в некоторых случаях они могут считаться синонимами, а в других между ними проводится четкое различие. Вряд ли найдется отрасль науки, более чувствительная к этому различию, чем сейсмология.

1. Предсказание – это конкретное и детальное заявление о том, когда и где ударит землетрясение: 28 июня в Киото, Япония, произойдет сильное землетрясение.

2. Прогноз же представляет собой вероятностное заявление, обычно рассматривающие возможность события в течение более длительного периода: вероятность землетрясения в Южной Калифорнии в ближайшие 30 лет составляет 60 %.

Официальная позиция USGS состоит в том, что землетрясения невозможно предсказать. Однако их можно спрогнозировать.

Что мы знаем о том, как часто и какими бывают землетрясения

При внимательном изучении сайта USGS вы найдете там множество инструментов, помогающих прогнозировать землетрясения. Один из них позволяет вам ввести широту и долготу для любой точки на территории США, после чего он выдаст вам долгосрочную вероятность землетрясения в ней{323}.

Из данных, приведенных в табл. 5.1, можно увидеть, какова вероятность землетрясений в нескольких крупных городах США, по данным USGS. Мы знаем, что Калифорния сейсмически активна; по расчетам USGS, землетрясение с магнитудой 6,8 балла или выше будет происходить в районе Сан-Франциско примерно каждые 35 лет. Многие также знают, что множество землетрясений происходило и на Аляске – в 1964 г. в районе Анкориджа произошло второе по величине из известных нам землетрясений с магнитудой 9,4 балла.

Таблица 5.1. Частота сильных (магнитуда ≥ 6,75 балла) землетрясений в пределах 80-километрового радиуса от некоторых городов США

Но доводилось ли вам слышать о Чарльстоне, штат Южная Каролина? Это тоже сейсмически активная зона; в 1886 г. там произошло землетрясение магнитудой 7,3 балла. USGS считает, что в этом районе крупное землетрясение будет происходить примерно 1 раз в 600 лет. Если же вы живете в Сиэтле, то вам стоит подготовить план действий на случай землетрясения; по мнению USGS, опасность землетрясения в нем выше, чем во многих частях Калифорнии. Возможно, такой план не потребуется жителям Денвера, находящегося на безопасном расстоянии от границ континентов.

На сайте USGS можно найти довольно много конкретной и удобной для анализа информации. Это может показаться странным для организации, утверждающей невозможность предсказания землетрясений. Однако прогнозы USGS основаны на широко используемом сейсмологическом инструменте, именуемом законом Гутенберга – Рихтера. Теория, созданная Чарльзом Рихтером и его коллегой из Калифорнийского технологического института Бено Гутенбергом в 1944 г., основана на эмпирической статистике землетрясений. Согласно ей, существует сравнительно простая связь между магнитудой землетрясения и частотой его возникновения.

Сравнив частоту землетрясений с их магнитудами, можно обнаружить, что количество землетрясений снижается по мере роста магнитуды. Если катастрофических землетрясений довольно мало, то незначительных землетрясений – буквально миллионы: ежегодно в мире происходит примерно 1,3 млн землетрясений с магнитудой от 2,0 до 2,9 балла{324}. Большинство из них остается незамеченными, как людьми, так и сейсмометрами{325}. Однако в наши дни приборы улавливают почти все землетрясения с магнитудой 4,5 балла и выше (хотя не всегда точно оценивают их местоположение). На рис. 5.2а показана экспоненциальная зависимость частоты землетрясений от их магнитуды, основанная на фактической статистике землетрясений с января 1964 г.{326} по март 2012 г.{327}.

Рис. 5.2а. Зависимость частоты землетрясений в год от их магнитуды по всему миру, январь 1964 г. – март 2012 г.

Однако если немного изменить этот график, то можно выявить потрясающую закономерность. На графике, приведенном на рис. 5.2б, по вертикальной оси показана частота землетрясений с различными магнитудами в логарифмическом масштабе[77]. Теперь линия на графике становится почти ровной. Подобный вид графика характерен для так называемого степенного распределения, и именно эту связь удалось установить Рихтеру и Гутенбергу.

Рис. 5.2б. Зависимость частоты землетрясений в год от их магнитуды по всему миру, январь 1964 г. – март 2012 г.; логарифмическая шкала

Данные, соответствующие этому распределению, обладают очень полезным свойством – вы можете спрогнозировать некоторое количество масштабных явлений на основе менее значительных, и наоборот. Что касается землетрясений, то оказалось, что при каждом повышении магнитуды на один пункт частота землетрясений снижается примерно в 10 раз. Например, землетрясения с магнитудой 6 баллов возникают в десять раз чаще, чем с магнитудой 7 баллов, и в 100 раз чаще, чем с магнитудой 8 баллов.

Более того, соответствие закону Гутенберга – Рихтера наблюдается как в отдельных регионах, так и по всей планете. Предположим, к примеру, что мы хотим составить прогноз землетрясений для иранской столицы Тегерана. К счастью, с момента начала сейсмологических замеров в этом регионе не было никаких катастрофических землетрясений. Однако за период между 1960 и 2009 гг. в окрестности города произошло около 15 землетрясений с магнитудой от 5,0 до 5,9 балла{328}. Иными словами, в среднем одно подобное землетрясение происходит раз в три года. Согласно выводам Гутенберга и Рихтера, это значит, что в Тегеране примерно раз в 30 лет может произойти землетрясение с магнитудой, величина которой находится между значениями 6,0 и 6,9 балла.

Также из этого следует, что раз в 300 лет в районе Тегерана может произойти землетрясение с магнитудой от 7 баллов. Именно такого землетрясения боится Сьюзен Хоф. Землетрясение магнитудой 7 баллов на Гаити, случившееся в 2010 г. и погубившее 316 тыс. человек{329}, продемонстрировало апокалиптические последствия подобных событий для развивающегося мира. Многие из проблем Ирана аналогичны проблемам Гаити – бедность, низкий контроль над соблюдением строительных норм, политическая коррупция{330}, – однако плотность населения в Иране значительно выше. По расчетам USGS, с учетом показателей общей смертности в стране, в случае катастрофического подземного толчка может погибнуть от 15 до 30 % населения Тегерана{331}. Поскольку в ареале Тегерана живет около 13 млн человек, количество жертв может составить от 2 до 3 млн.

Из того факта, что частота землетрясений и их магнитуда подчиняются закону Гутенберга – Рихтера, вовсе не следует, что мы можем узнать, когда именно произойдет землетрясение (также не следует, что в Тегеране «неминуемо» случится землетрясение, если только другое землетрясение не произошло там совсем недавно). У таких стран, как Иран и Гаити, нет возможности реализовывать планы действий в отношении события, происходящего раз в 300 лет. Прогнозы землетрясений, созданные на основе закона Гутенберга – Рихтера, дают лишь общее руководство по оценке степени угрозы в том или ином регионе. Прогнозы погоды, основанные лишь на исторической статистике (в марте в Лондоне дождь идет 35 % времени), не всегда превращаются в применимые на практике знания (брать ли мне с собой зонт или нет?). В геологии временны́е срезы охватывают века или даже тысячелетия; а срок человеческой жизни измеряется не секундами, а годами.

Искушение сейсмологов

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).