Фізіка тлумачыць землятрусы
Землятрусы — адна з найбольш часта абмяркоўваемых прыродных з'яў з-за іх значнага ўплыву на жыццё чалавека. З фізічнага пункту гледжання, землятрусы — гэта не проста «трасенне зямлі», а хутчэй вынік вызвалення пругкай энергіі, назапашанай у зямной кары. У гэтым артыкуле землятрусы абмяркоўваюцца даступнай мовай, застаючыся пры гэтым заснаванымі на такіх фізічных паняццях, як напружанне, дэфармацыя, пругкасць, хвалі, рэзананс і рассейванне энергіі.
1. Зямля як дынамічная механічная сістэма
Фізічна Зямлю можна разглядаць як гіганцкую механічную сістэму, якая складаецца з слаёў: ядра, мантыі і зямной кары. Зямная кара разбіта на тэктанічныя пліты, якія «плаваюць» на больш пластычным верхнім пласце мантыі (астэнасферы). Гэтыя пліты рухаюцца павольна — звычайна ўсяго некалькі сантыметраў у год, — але гэты павольны рух стварае велізарныя сілы з-за масы пліт і вялікай плошчы кантакту.
Рух тэктанічных пліт выклікае назапашванне напружання на межах пліт або разломах у зямной кары. Калі назапашанае напружанне перавышае супраціўленне горных парод, адбываецца раптоўны разрыў або зрух. Гэты раптоўны зрух мы адчуваем як землятрус.
2. Напружанне, дэфармацыя і энергія пругкасці
Дзве асноўныя фізічныя канцэпцыі, вельмі важныя для разумення землятрусаў, - гэта напружанне і дэфармацыя.
– Напружанне — гэта сіла на адзінку плошчы, якая дзейнічае на матэрыял, адзінка вымярэння — Паскаль (Па).
– Дэфармацыя — гэта адносная змена формы або даўжыні з-за напружання (без адзінак вымярэння).
Пароды ў зямной кары могуць быць пругкімі з цягам часу: яны дэфармуюцца, калі да іх прыкладаецца сіла, і часткова змяняюць форму, калі сіла здымаецца. Па меры руху пліт пароды вакол разломаў адчуваюць дэфармацыю. Механічная энергія захоўваецца ў выглядзе пругкай энергіі, падобна расцягнутай гумовай стужцы або сціснутай спружыне.
Проста кажучы, назапашаная пругкая энергія павялічваецца з павелічэннем дэфармацыі. Калі мяжа пругкасці пароды перавышана, яна больш не можа вытрымліваць напружанне; уздоўж плоскасці разлому адбываецца разбурэнне (разлом) або зрушэнне. У гэты момант пругкая энергія раптоўна вызваляецца ў выглядзе сейсмічных хваль, цяпла ад трэння і рэшткавай дэфармацыі.
3. Разломы, сілы трэння і мадэль «прыліпання-слізгання»
Адна з фізічных мадэляў, якая часта выкарыстоўваецца для тлумачэння землятрусаў, — гэта прыліпанне і слізгаценне. Уявіце сабе два блокі, якія ціснуць адзін аб аднаго з трэннем. Пры лёгкім штуршку блокі не рухаюцца адразу, таму што яны ўтрымліваюцца статычным трэннем (прыліпанне). Сіла штуршка працягвае павялічвацца, пакуль не перавысіць максімальную мяжу статычнага трэння, і тады блокі хутка слізгаюць (слізгаюць), ствараючы вібрацыі.
Пры разломе паверхні горных парод злучаюцца разам з-за шурпатасці і велізарных нармальных напружанняў. Пліты працягваюць рухацца, але разлом можа заставацца «заблакаваным» на працягу дзясяткаў і сотняў гадоў. Калі ён нарэшце вызваляецца, на працягу некалькіх секунд ці хвілін адбываецца хуткае зрушэнне. Гэта хуткае зрушэнне выпраменьвае энергію ў выглядзе сейсмічных хваль.
4. Фокус, эпіцэнтр і сейсмічны момант
Пачатковае месца вызвалення энергіі называецца гіпацэнтрам або фокусам, гэта кропка пад паверхняй, дзе пачынае рухацца разлом. Пункт на паверхні Зямлі непасрэдна над фокусам называецца эпіцэнтрам. Хоць эпіцэнтр часта згадваецца ў навінах, фокус мае большае фізічнае значэнне, таму што глыбіня фокуса ўплывае на размеркаванне энергіі і ступень пашкоджання.
Каб фізічна вымераць «памер» землятрусу, навукоўцы выкарыстоўваюць паняцце сейсмічнага моманту, якое звязана з:
– плошча плоскасці разлому, якая зрушылася,
– сярэдняе зрушэнне (слізгаценне)
– калянасць горных парод.
Сейсмічны момант ляжыць у аснове сучасных шкал велічыні (напрыклад, Mw). Па сутнасці, велічыня — гэта не толькі «наколькі моцна яна адчуваецца», але і тое, колькі механічнай энергіі ўдзельнічае ў працэсе разрыву.
5. Сейсмічныя хвалі: P-, S- і паверхневыя хвалі
Энергія землятрусаў распаўсюджваецца як сейсмічныя хвалі. У фізіцы хваль яны падобныя да хваль у пругкім асяроддзі, але з варыяцыямі ў тыпе з-за трохмернай прыроды горнай пароды.
1. Хваля Р (першасная хваля)
Гэтыя хвалі падоўжныя (сцісканне-пашырэнне), падобныя да гукавых хваль. Яны распаўсюджваюцца найхутчэй і таму першымі дасягаюць сейсмографа. P-хвалі могуць праходзіць праз цвёрдыя целы і вадкасці.
2. Хваля S (другасная хваля)
Папярочныя (зрухавыя) хвалі павольнейшыя за P-хвалі. S-хвалі праходзяць толькі праз цвёрдыя целы, бо вадкасці не могуць эфектыўна супраціўляцца зрухавым напружанням. Гэты факт мае вырашальнае значэнне для доказу таго, што знешняе ядро Зямлі з'яўляецца вадкім.
3. Павярхоўныя хвалі (Лява і Рэлея)
Гэтыя хвалі распаўсюджваюцца паблізу паверхні Зямлі і часта прычыняюць найбольшую шкоду, таму што іх амплітуда можа быць высокай, а працягласць — працяглай. Паверхневыя хвалі могуць выклікаць складаныя рухі грунта: бакавыя хістанні, пучэнне і качэнне.
Хуткасць хваль залежыць ад уласцівасцей асяроддзя: шчыльнасці, модуля пругкасці і геалагічнай структуры. Такім чынам, два розныя месцы могуць адчуваць розную дрыжыкі, нават калі яны знаходзяцца на аднолькавай адлегласці ад эпіцэнтра.
6. Рэзананс і прычыны абвальвання будынкаў
У фізіцы сістэма мае ўласную частату. Будынкі не выключэнне. Калі хвалі землетрасенняў дасягаюць частаты, блізкай да ўласнай частаты будынка, можа ўзнікнуць рэзананс — значнае павелічэнне амплітуды ваганняў. Гэты рэзананс можа пагоршыць пашкоджанні, асабліва ў будынках, якія не прызначаны для землятрусаў.
Акрамя рэзанансу, важнымі фактарамі з'яўляюцца:
– працягласць землятрусу (чым ён даўжэйшы, тым большая энергія паступае ў канструкцыю),
– максімальнае паскарэнне на зямлі,
– якасць матэрыялаў і канструкцыя (напрыклад, наяўнасць зрушных сцен, рам, якія вытрымліваюць момант, фундаментных ізалятараў),
– глебавыя ўмовы.
Мяккія глебы, такія як алювіяльныя адклады, могуць узмацняць ваганні (узмацненне на месцы), паколькі хвалі запавольваюцца, а іх амплітуда павялічваецца. Гэта падобна на тое, як хвалі на вадзе ўздымаюцца, калі яны ўваходзяць у мелкаводдзе.
7. Разрэджванне: калі глеба «губляе трываласць»
Разрэджванне — цікавы прыклад таго, як гуляе ролю фізіка грануляваных матэрыялаў. У пясчанай глебе, насычанай вадой, ваганні землятрусу могуць павялічваць ціск вады ў порах, у выніку чаго пясчынкі губляюць эфектыўны кантакт адно з адным. У выніку глеба паводзіць сябе як вадкасць: будынкі могуць нахіляцца, апускацца або зрушвацца. Разрэджванне адбываецца не таму, што глеба ператвараецца ў ваду, а таму, што памяншаецца эфектыўнае напружанне, якое ўтрымлівае структуру зерняў разам.
8. Цунамі як наступства механікі вадкасці
Некаторыя падводныя землятрусы могуць выклікаць цунамі, калі яны выклікаюць значнае вертыкальнае зрушэнне марскога дна. Фізічна цунамі — гэта доўгая хваля ў акіяне з даўжынёй хвалі ў сотні кіламетраў. У глыбокіх акіянах яе амплітуда дастаткова малая, каб яе было лёгка выявіць, але хуткасць вельмі высокая (можа складаць сотні км/г). Па меры набліжэння да ўзбярэжжа глыбіня памяншаецца, хуткасць памяншаецца, а энергія назапашваецца, што прыводзіць да рэзкага павелічэння вышыні хвалі.
9. Вымярэнне і мадэляванне землятрусаў: сейсмаграфы і фізіка інверсіі
Землятрусы рэгіструюцца сейсмографамі — прыборамі, якія выяўляюць ваганні грунту. Іх прынцып працы заснаваны на інерцыі: масы імкнуцца захоўваць свой стан руху, калі грунт рухаецца. Затым дадзеныя сейсмографа аналізуюцца для вызначэння месцазнаходжання землятрусу, глыбіні, механізму разлома і ацэнкі магнітуды.
У сучаснай геафізіцы выкарыстоўваюцца метады інверсіі: з дапамогай запісаных хвалевых сігналаў навукоўцы «інвертуюць» фізічную задачу, каб ацаніць крыніцы землятрусаў і падземныя структуры. Гэта спалучае хвалевыя ўраўненні, тэорыю пругкасці і лікавыя разлікі.
10. Выснова: землятрусы як урок пра энергію і хвалі
З пункту гледжання фізікі, землятрус — гэта вызваленне назапашанай пругкай энергіі з-за дэфармацыі зямной кары. Гэтая энергія пераўтвараецца ў сейсмічныя хвалі, якія распаўсюджваюцца праз розныя асяроддзі, узаемадзейнічаюць з геалагічнымі структурамі і ўплываюць на будынкі праз вібрацыі, рэзананс і паскарэнне грунту. Разуменне фізікі землятрусаў — гэта больш, чым проста акадэмічныя веды: яно забяспечвае важную аснову для змякчэння наступстваў стыхійных бедстваў, прасторавага планавання і больш бяспечнага праектавання будынкаў.
Дзякуючы фізіцы мы разумеем, што землятрусаў нельга пазбегнуць, але можна знізіць іх рызыку. Чым лепш мы разумеем, як Зямля захоўвае і вызваляе энергію, тым лепш мы падрыхтаваны да жыцця ў дынаміцы пастаянна зменлівай планеты.
