Жер сілкіністерінің физикаға түсіндірмесі
Жер сілкінісі адам өміріне айтарлықтай әсер етуіне байланысты ең жиі талқыланатын табиғи құбылыстардың бірі болып табылады. Физикалық тұрғыдан алғанда, жер сілкінісі жай ғана «жер сілкінісі» емес, керісінше, Жер қыртысында жинақталған серпімді энергияның бөлінуінің нәтижесі. Бұл мақалада жер сілкінісі туралы түсінікті тілде талқыланады, сонымен қатар кернеу, деформация, серпімділік, толқындар, резонанс және энергияның таралуы сияқты физика ұғымдарына негізделген.
1. Жер динамикалық механикалық жүйе ретінде
Физикалық тұрғыдан Жерді қабаттардан тұратын алып механикалық жүйе ретінде қарастыруға болады: ядро, мантия және жер қыртысы. Жер қыртысы тектоникалық плиталарға бөлінген, олар мантияның жоғарғы қабатында (астеносферада) «қалқып жүреді». Бұл плиталар баяу қозғалады - әдетте жылына бірнеше сантиметр ғана - бірақ бұл баяу қозғалыс плиталардың массасы мен жанасу аймағының үлкендігіне байланысты үлкен күштер тудырады.
Тектоникалық плиталардың қозғалысы плита шекараларында немесе жер қыртысындағы жарықтарда кернеудің жиналуын тудырады. Жинақталған кернеу тау жыныстарының кедергісінен асып кеткенде, кенеттен жарылыс немесе ығысу пайда болады. Бұл кенеттен ығысуды біз жер сілкінісі ретінде сезінеміз.
2. Кернеу, деформация және серпімді энергия
Жер сілкінісін түсіну үшін өте маңызды екі негізгі физика ұғымы - кернеу және деформация.
– Кернеу – материалға әсер ететін бірлік ауданға шаққандағы күш, оның бірлігі Паскаль (Па).
– Деформация – кернеуге байланысты пішіннің немесе ұзындықтың салыстырмалы өзгерісі (бірліктерсіз).
Жер қыртысындағы тау жыныстары уақыт өте келе серпімді болуы мүмкін: күш қолданылған кезде олар деформацияланады және күш жойылған кезде ішінара пішінін өзгертеді. Пластиналар қозғалған кезде, жарықтардың айналасындағы тау жыныстары деформацияға ұшырайды. Механикалық энергия созылған резеңке таспа немесе сығылған серіппе сияқты серпімді энергия ретінде сақталады.
Қарапайым тілмен айтқанда, сақталған серпімді энергия деформацияның артуымен артады. Тау жынысының серпімділік шегінен асып кеткенде, ол енді кернеуге төтеп бере алмайды; жарылыс жазықтығы бойымен бұзылу (сыну) немесе сырғанау орын алады. Сол сәтте серпімді энергия кенеттен сейсмикалық толқындар, үйкеліс жылуы және тұрақты деформация түрінде бөлінеді.
3. Ақаулықтар, үйкеліс күштері және «жабысып сырғанау» моделі
Жер сілкінісін түсіндіру үшін жиі қолданылатын бір физика моделі - таяқша-тайғанақ. Екі блоктың үйкеліспен бір-біріне қысылып тұрғанын елестетіп көріңіз. Ақырын итерілгенде, блоктар бірден қозғалмайды, себебі олар статикалық үйкеліспен (таяқшамен) ұсталады. Итеру күші максималды статикалық үйкеліс шегінен асқанша артады, содан кейін блоктар тез сырғанайды (тайғанақ), бұл діріл тудырады.
Жарықшақтықта тау жыныстарының беттері кедір-бұдырлық пен үлкен қалыпты кернеулерге байланысты бір-біріне бекітіледі. Плиталар қозғала береді, бірақ жарықшақ ондаған, тіпті жүздеген жылдар бойы «құлыпталған» күйінде қалуы мүмкін. Ақыры ол босаған кезде, бірнеше секундтан бірнеше минутқа дейін жылдам сырғанау орын алады. Бұл жылдам сырғанау сейсмикалық толқындар түрінде энергия шығарады.
4. Фокус, эпицентр және сейсмикалық момент
Энергияның бөлінуінің бастапқы орны гипоцентр немесе фокус деп аталады, бұл жарықшақ қозғала бастайтын жер бетінің астындағы нүкте. Фокустың тікелей үстіндегі Жер бетіндегі нүкте эпицентр деп аталады. Эпицентр жаңалықтарда жиі айтылса да, фокус физикалық тұрғыдан маңыздырақ, себебі фокустың тереңдігі энергияның таралуына және зақымдану дәрежесіне әсер етеді.
Жер сілкінісінің «өлшемін» физикалық тұрғыдан өлшеу үшін ғалымдар сейсмикалық момент ұғымын қолданады, ол мыналармен байланысты:
– ығысқан ақаулық жазықтығының ауданы,
– орташа ығысу (сырғанау)
– тастың қаттылығы.
Сейсмикалық момент қазіргі заманғы магнитуда шкалаларының негізін құрайды (мысалы, Mw). Негізінде, магнитуда тек «қаншалықты сезілетіні» ғана емес, сонымен қатар жарылыс процесіне қанша механикалық энергия қатысатыны да маңызды.
5. Сейсмикалық толқындар: P, S және беттік толқындар
Жер сілкінісі энергиясы сейсмикалық толқындар түрінде таралады. Толқын физикасында бұлар серпімді ортадағы толқындарға ұқсас, бірақ тау жыныстарының үш өлшемді сипатына байланысты түрлері әртүрлі.
1. Р толқыны (бастапқы толқын)
Бұл толқындар дыбыс толқындары сияқты бойлық (сығымдау-кеңею) болып табылады. Олар ең жылдам таралады және сондықтан сейсмографқа бірінші болып жетеді. Р толқындары қатты және сұйық денелер арқылы тарала алады.
2. S толқыны (екінші толқын)
Көлденең (ығысу) толқындар P толқындарына қарағанда баяуырақ. S толқындары тек қатты денелер арқылы өтеді, себебі сұйықтықтар ығысу кернеуіне тиімді түрде төтеп бере алмайды. Бұл факт Жердің сыртқы ядросының сұйық екенін дәлелдеуде өте маңызды.
3. Беттік толқындар (Лав және Рейли)
Бұл толқындар Жер бетіне жақын таралады және көбінесе ең көп зиян келтіреді, себебі олардың амплитудасы жоғары және ұзақтығы ұзақ болуы мүмкін. Беткі толқындар күрделі жер қозғалыстарын тудыруы мүмкін: көлденең, көтерілу және домалау.
Толқын жылдамдығы ортаның қасиеттеріне байланысты: тығыздық, серпімділік модулі және геологиялық құрылым. Сондықтан, эпицентрден бірдей қашықтықта орналасқан екі түрлі жерде әртүрлі дірілдеу болуы мүмкін.
6. Резонанс және ғимараттардың құлауының себебі
Физикада жүйенің табиғи жиілігі бар. Ғимараттар да ерекшеленбейді. Жер сілкінісі толқындары ғимараттың табиғи жиілігіне жақын жиілікте келгенде, резонанс пайда болуы мүмкін, бұл діріл амплитудасының айтарлықтай артуы. Бұл резонанс, әсіресе жер сілкінісіне төтеп беруге арналмаған ғимараттарда, зақымды күшейтуі мүмкін.
Резонанстан басқа, басқа да маңызды факторларға мыналар жатады:
– жер сілкінісінің ұзақтығы (ол неғұрлым ұзақ болса, құрылымға енетін энергия соғұрлым көп болады),
– жердегі максималды үдеу,
– материалдың сапасы және құрылымдық дизайны (мысалы, ығысу қабырғаларының, моменттік рамалардың, негізгі оқшаулағыштардың болуы),
– топырақ жағдайлары.
Аллювиалды шөгінділер сияқты жұмсақ топырақтар толқындардың баяулауы және олардың амплитудасы артуымен тербелістерді күшейтуі мүмкін (жергілікті күшейту). Бұл су толқындарының таяз суға енген кезде қалай көтерілетініне ұқсас.
7. Сұйылту: топырақ «беріктігін жоғалтқанда»
Сұйылту түйіршікті материалдардың физикасының рөл атқаратынының қызықты мысалы болып табылады. Суға қаныққан құмды топырақта жер сілкінісінің тербелістері кеуек су қысымын арттырып, құм түйірлерінің бір-бірімен тиімді байланысын жоғалтуына әкелуі мүмкін. Нәтижесінде топырақ сұйықтық сияқты әрекет етеді: ғимараттар еңкейіп, батып немесе жылжып кетуі мүмкін. Сұйылту топырақ суға айналғандықтан емес, түйіршікті құрылымды бірге ұстап тұратын тиімді кернеу азайғандықтан болады.
8. Сұйықтық механикасының салдары ретіндегі цунами
Кейбір су асты жер сілкіністері теңіз түбінің айтарлықтай тік ығысуына әкелсе, цунами тудыруы мүмкін. Физикалық тұрғыдан алғанда, цунами - мұхиттағы жүздеген шақырым толқын ұзындығы бар ұзын толқын. Терең мұхитта оның амплитудасы оңай анықталатындай кішкентай, бірақ жылдамдығы өте жоғары (жүздеген км/сағ болуы мүмкін). Жағалауға жақындаған сайын тереңдік азаяды, жылдамдық азаяды және энергия жиналады, бұл толқын биіктігінің күрт артуына әкеледі.
9. Жер сілкіністерін өлшеу және модельдеу: сейсмографтар және инверсиялық физика
Жер сілкіністері жер сілкіністерін анықтайтын сейсмографтармен жазылады. Олардың жұмыс принципі инерцияға негізделген: жер қозғалған кезде массалар қозғалыс күйін сақтауға бейім. Содан кейін жер сілкінісінің орнын, тереңдігін, жарық механизмін және магнитудасын бағалау үшін сейсмограф деректері талданады.
Қазіргі геофизикада инверсия әдістері қолданылады: жазылған толқын сигналдарынан ғалымдар жер сілкінісінің көздері мен жер асты құрылымдарын бағалау үшін физика есебін «инверсиялайды». Бұл толқын теңдеулерін, серпімділік теориясын және сандық есептеулерді біріктіреді.
10. Қорытынды: жер сілкіністері энергия мен толқындар туралы сабақ ретінде
Физика тұрғысынан алғанда, жер сілкінісі - Жер қыртысының деформациясына байланысты сақталған серпімді энергияның босатылуы. Бұл энергия әртүрлі орталар арқылы таралатын, геологиялық құрылымдармен өзара әрекеттесетін және ғимараттарға діріл, резонанс және жер үдеу арқылы әсер ететін сейсмикалық толқындарға айналады. Жер сілкінісі физикасын түсіну тек академиялық білімнен де көп нәрсе: ол апаттардың салдарын азайту, кеңістіктік жоспарлау және қауіпсіз ғимараттарды жобалау үшін маңызды негіз болып табылады.
Физика арқылы біз жер сілкіністерінің алдын алу мүмкін емес екенін, бірақ олардың қаупін азайтуға болатынын түсінеміз. Жердің энергияны қалай сақтайтынын және бөлетінін неғұрлым жақсы түсінсек, үнемі өзгеріп отыратын планетаның динамикасымен қатар өмір сүруге соғұрлым жақсы дайындаламыз.
