Między globalną aktywnością sejsmiczną a zmianami natężenia promieniowania kosmicznego rejestrowanego przy powierzchni naszej planety istnieje wyraźna statystyczna korelacja. Co zaskakujące, wykazuje ona cykliczności umykające jednoznacznej fizycznej interpretacji – takiego odkrycia dokonali badacze uczestniczący w międzynarodowym projekcie CREDO, obserwującym promieniowanie kosmiczne. Biorą w nim udział m.in. naukowcy Politechniki Krakowskiej. Wyjaśnienie zależności, które odkryli, może pomóc w przewidywaniu trzęsień ziemi.
Silne trzęsienia 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 w Krakowie (IFJ PAN), przy współpracy Politechniki Krakowskiej, AGH i ACK Cyfronet, 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 obu zjawiskami rzeczywiście istnieje. Można więc powiedzieć, że w kosmosie widać nadciągające trzęsienia ziemi. Może nie tak dosłownie, jak na wykonanym z przymrużeniem oka kolażu zdjęć, lecz wciąż wyraźnie – w zmianach natężenia promieniowania kosmicznego rejestrowanego przez obserwatoria na powierzchni naszej planety. Ta zależność 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 (w jej stworzenie zaangażowani byli naukowcy PK).
Do głównych zadań CREDO należy monitorowanie globalnych zmian w strumieniu wtórnego promieniowania kosmicznego docierającego do powierzchni Ziemi. Promieniowanie to powstaje w stratosferze, najintensywniej w obrębie tak zwanego maksimum Regenera-Pfizera, 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 i pierwszy autor artykułu opisującego odkrycie na łamach czasopisma naukowego „Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics”.
Współautorami badań i artykułu są m.in. pracownicy Politechniki Krakowskiej: mgr inż. Katarzyna Smelcerz (Katedra Informatyki Wydziału Informatyki i Telekomunikacji PK), mgr inż. Michał Niedźwiecki (Katedra Informatyki oraz Fizyki PK) i dr Olaf Bar (Katedra Informatyki WIiT PK). W projekcie zajmują się m.in. narzędziami wykorzystywanymi do detekcji promieniowania kosmicznego.
– Jestem głównym autorem aplikacji na smartfona, która dostarczyła największej ilości danych dla eksperymentu CREDO. To ponad 10 mln próbek. Obecnie, razem z dr. Olafem Barem oraz innymi naukowcami zaangażowanymi w projekt z AGH i Uniwersytetu Pedagogicznego zajmujemy się analizą zebranych danych, czyli konkretnie klasyfikacją próbek i wykrywaniem anomalii – wyjaśnia Michał Niedźwiecki.
Główna idea odkrycia, zaprezentowanego w publikacji, polega 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 r.). 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? – zastanawia się dr 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.
– 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.
W międzynarodowym projekcie CREDO biorą udział m.in. naukowcy z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN, Politechniki Krakowskiej, AGH, Uniwersytetu Pedagogicznego, Narodowego Centrum Badań Jądrowych, Uniwersytetu Jagiellońskiego i zagranicznych ośrodków badawczych (m.in. z Izraela, Chile, Hiszpanii, Ukrainy, Węgier, Włoch czy USA).
Publikacja naukowa w Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics 2023, 247, 106068; „Observation of large scale precursor correlations between cosmic rays and earthquakes with a periodicity similar to the solar cycle”, P. Homola, V. Marchenko, A. Napolitano, R. Damian, R. Guzik, D. Alvarez-Castillo, S. Stuglik, O. Ruimi, O. Skorenok, J. Zamora-Saa, J.M. Vaquero, T. Wibig, M. Knap, K. Dziadkowiec, M. Karpiel, O. Sushchov, J.W. Mietelski, K. Gorzkiewicz, N. Zabari, K. Almeida Cheminant, B. Idźkowski, T. Bulik, G. Bhatta, N. Budnev, R. Kamiński, M.V. Medvedev, K. Kozak, O. Bar, Ł. Bibrzycki, M. Bielewicz, M. Frontczak, P. Kovacs, B. Łozowski, J. Miszczyk, M. Niedźwiecki, L. del Peral, M. Piekarczyk, M. D. Rodriguez Frias, K. Rzecki, K. Smelcerz, T. Sośnicki, J. Stasielak, A. A. Tursunov.
(ifj.edu.pl / mas)