Землетрясения – одно из самых страшных стихийных бедствий. С давних времен люди становились свидетелями, как строившиеся столетиями цветущие города за несколько секунд превращались в руины. Ежегодно в мире регистрируется около миллиона подземных толчков разной магнитуды. Большинство из них слишком слабы, и мы узнаем о них лишь благодаря высокочувствительным измерительным приборам. Но почему даже в XXI веке ученые все еще не могут прогнозировать землетрясения?
Несмотря на все достижения современной науки, мы все еще не умеем предсказывать землетрясения. Однако сегодня мы в состоянии понять природные процессы, лежащие в основе этого явления.
►Что вызывает землетрясения?
Причина землетрясений, обладающих колоссальной разрушительной силой, кроется в геологических и тектонических процессах, природа которых не совсем ясна. По мнению ученых, это происходит из-за разницы температур между горячим ядром, достигающим более 5000 градусов по Цельсию, и холодной земной корой.
Интенсивное тепловое излучение, исходящее из центра Земли, нагревает нижнюю мантию, представляющую собой плотный слой между астеносферой и ядром Земли. Хотя мантия состоит из твердых пород, со временем экстремальная разница температур между верхней и нижней частями формирует систему циклического движения, при которой нижняя часть поднимается вверх, охлаждается и возвращается назад. Это похоже на кипение воды в кастрюле.
Во время подъема горячей мантии вверх давление на нее постепенно снижается и становится настолько слабым, что часть ее превращается в расплавленную магму, которая прорывается через земную кору из трещин на океаническом дне. Остывшая магма быстро становится базальтом.
Обширные базальтовые равнины, формирующиеся по обе стороны тектонического разлома (рифта) на дне океана, испытывают толчки из-за постоянно плавящейся магмы. Этот импульс является источником энергии для большей части землетрясений, вызванных трением тектонических плит. Точка, из которой при столкновении тектонических плит высвобождаются энергетические волны, называется эпицентром землетрясения.
►Землетрясение происходит волнами
Волны, переносящие высвобождаемую во время землетрясений энергию, называются сейсмическими. Они делятся на три типа: P-волны (первичные), S-волны (вторичные) и поверхностные волны. Первичные и вторичные волны (объемные) проходят через недра Земли, а поверхностные, как следует из их названия, идут по земной поверхности.
Первичные (продольные, компрессорные) волны распространяются со скоростью около 24.000 км/ч, что примерно в 1,7 раза быстрее, чем вторичные волны. Сейсмографы регистрируют их первыми. Затем регистрируются вторичные (поперечные) волны.
Поверхностные волны следуют за вторичными и могут достигать нескольких сантиметров. Из-за низкой частоты и большой амплитуды они являются самыми разрушительными, сотрясая скалы и жилые здания из стороны в сторону.
►Мониторинг землетрясений
Главным методом мониторинга и изучения землетрясений по-прежнему остается измерение сейсмических волн с помощью сейсмографа (сейсмометра). Этот прибор реагирует на колебания земной поверхности, фиксируя все три типа сейсмических волн.
Первые сейсмографы были механическими – колебания корпуса относительно груза с помощью рычагов увеличивались и передавались на перо, оставлявшее следы на барабане с закопченной бумагой. Затем появились электромагнитные сейсмографы. Сегодня измерения проводятся с помощью компьютеров, их функциональность намного выше, однако принцип работы остается прежним.
►Шкала Рихтера или магнитуда - в чем разница
Данные, полученные с помощью сейсмографа, позволяют вычислить магнитуду землетрясения и расстояние от эпицентра, но их недостаточно, чтобы определить откуда идет волна. Для того чтобы узнать, где находится эпицентр землетрясения, необходимы как минимум три сейсмометра, расположенных на большом расстоянии друг от друга. Это можно сделать, рассчитав расстояние между местом землетрясения и каждым из трех приборов (триангуляция).
В прошлом было принято оценивать силу землетрясения по шкале Рихтера, базировавшейся на амплитуде сейсмических волн, замеряемых сейсмометром. Этот метод был разработан для фиксации землетрясений на западе США с помощью приборов определенного типа. Однако для других частей света эта методика не была оптимальной. Сегодня существует несколько способов, наиболее распространенный из которых - шкала моментной магнитуды. Подобно шкале Рихтера этот метод также выражает силу землетрясения от одного до 10 баллов. Землетрясения могут нанести ущерб зданиям уже при магнитуде в 4 балла, а с магнитудой в 6 они становятся крайне опасными.
►Прогнозирование землетрясений
К сожалению, до сих пор не существует надежного способа прогнозирования землетрясений. В некоторых странах развернуты специальные системы, позволяющие в последний момент предсказывать грядущий толчок. Эти системы состоят из сотен сейсмодатчиков, улавливающих менее опасные первичные волны. Таким образом можно примерно за минуту до землетрясения предупредить жителей о надвигающейся угрозе.
На этом видео, снятом мэрией Афулы, можно увидеть эвакуацию школьников при недавнем землетрясении в Израиле.
Эвакуация школы в Афуле
Чем дальше люди находятся от эпицентра, тем больше у них шансов выбежать из здания, которое может рухнуть, либо укрыться внутри – в защищенных местах.
Во время землетрясения многие получают травмы от падения тяжелых предметов. Предотвращение подобных травм – также одна из целей систем оповещения. Подобные системы разработать непросто – требуется сложная инфраструктура. Например, создание системы оповещения ShakeAlert, введенной в строй в 2019 году на Западном побережье США, заняло 15 лет и обошлось в 60 млн долларов. Эта система направляет предупредительные сигналы на телефон через специальное мобильное приложение.
Невозможность предсказать землетрясения заставляет власти готовиться к ним заранее. В сейсмически опасных районах дома строятся с использованием особых методов, повышающих их устойчивость при сильном толчке.
В Израиле еще в 1980 году вступил в силу стандарт сейсмостойкого строительства.
►Землетрясения помогают науке
Большинство из нас воспринимает землетрясения исключительно как угрозу. Однако для ученых данное природное явление – важнейший источник знаний о внутреннем строении Земли. Сейсмология, исследующая землетрясения, - одна из основных научных областей, изучающих строение не только нашей планеты, но и других небесных тел (Луны, Марса и т. д.).
Благодаря методам сейсмической томографии геологи могут картографировать глубины Земли, создавать трехмерные модели различных объектов внутри мантии и ядра, изучать структуру тектонических плит. Все это расширяет наши знания о процессах формирования планеты, на которой мы живем.
Автор - сотрудник Института научного образования им. Давидзона при НИИ им. Вейцмана в Реховоте
Перевод: Гай Франкович