Землетрясения

Мы с вами уже знакомились со строением нашей планеты. Давайте вспомним, что снаружи она покрыта тонкой коркой, словно скорлупа яйца. А внутри — горячая вязкая мантия и раскалённое ядро. Но эта «скорлупа» не цельная: она состоит из огромных литосферных плит, которые медленно, но неумолимо движутся. Эти плиты можно представить как гигантские каменные плоты, плавающие на вязкой магме. Их движение почти незаметно для нас, но за миллионы лет оно меняет облик континентов и океанов.

Когда плиты сталкиваются или трутся краями, в породах накапливается напряжение. Оно растёт годами, десятилетиями, а иногда и веками. В зонах столкновения, скажем, океанической и континентальной плит, породы деформируются — начинают сжиматься и изгибаться, накапливая напряжение. Когда это напряжение достигает критической точки, на границе тектонических плит происходит проскальзывание. Тогда океаническая плита рывком возвращается в недеформированное состояние, высвобождая колоссальную энергию, которая высвобождается в виде сейсмических волн. Именно эти волны мы ощущаем как толчки. Иногда они едва заметны, а иногда способны за считанные секунды разрушить целые города. Эти силы деформации, называемые тектоническими, и являются главной причиной грандиозных изменений рельефа — рождения гор и, конечно же, землетрясений.

Землетрясения — это колебания поверхности Земли, вызванные тектоническими процессами, то есть процессами естественного перемещения тектонических плит.

Область, в которой происходит мгновенный сброс тектонических напряжений, называется фокусом, очагом землетрясения или гипоцентром. А его проекция на поверхность Земли, где расположено место наибольшего проявления землетрясения, — эпицентром землетрясения.

Интересно, что лишь примерно десятая часть всей высвободившейся потенциальной энергии идёт на сами колебания — сейсмические волны. А остальное — на нагрев пород и разрушение в месте разрыва.

Сейсмические волны бывают нескольких видов.

В гипоцентре землетрясения рождаются объёмные сейсмические волны, распространяющиеся по всем направлениям. Когда объёмная волна достигает поверхности Земли, она возбуждает поверхностную сейсмическую волну.

Первые приходят так называемые P-волны — от латинского «прима» («prima»), то есть «первичные». Они мчатся быстрее всех — от 7—11 км/с. Они производят действия, подобные ударной волне при взрыве, то есть сопровождаются грохотом.

Следом идут S-волны или вторичные. Они медленнее, от 3—8 км/с. Вторичные волны смещают поверхность грунта, раскачивая её по горизонтали и по вертикали и вызывая значительные разрушения.

Поскольку P-волна всегда приходит первой, у учёных появился умный способ определить глубину залегания очага. Если измерить разницу во времени между приходом P-волн и S-волн, то, зная их скорости, можно легко вычислить глубину по формуле, представленной на экране:  

Как показали исследования, большинство землетрясений рождаются неглубоко, в пределах 30—70 километров. Но бывают и настоящие глубинные, чей очаг может находиться на сотнях километров под нашими ногами. А иногда, наоборот, почти у самой поверхности, на глубине всего 3—5 км.

Как мы уже сказали, наибольшую опасность несут поверхностные волны. Они хоть и движутся медленнее, всего 1,5—2 км/с, но зато затухают гораздо медленнее объёмных. Амплитуда объёмных волн убывает обратно пропорционально расстоянию до эпицентра, а поверхностных — медленнее, обратно пропорционально квадратному корню от расстояния. Поэтому именно они способны причинять колоссальные разрушения на огромных расстояниях от эпицентра.

Поверхностные волны разделяют на волны Лява и волны Рэлея. Первые являются суперпозицией поперечных волн. В этих волнах частицы колеблются в горизонтальной плоскости перпендикулярно направлению распространения волны (то есть они раскачивают грунт из стороны в сторону). Вторые — суперпозиция продольных и поперечных волн. В них частицы движутся по эллипсам в плоскости, в которой лежит вектор скорости и нормаль к поверхности Земли. Это именно те волны, которые можно увидеть на видео, когда дорога колышется словно вода.

Чтобы измерить всю эту мощь, выделяемую в очаге землетрясения, была введена шкала Рихтера, предложенная американским сейсмологом Чарльзом Рихтером в 1935 году. Она содержит условные единицы от 0 до 9,5 — это магнитуды, которые вычисляются по колебаниям, регистрируемым сейсмографом.

Принято определять магнитуду землетрясения М по формуле, представленной на экране:

В ней lg — это десятичный логарифм, а Е — сейсмическая энергия, измеренная в джоулях.

Для регистрации всех типов сейсмических волн используется прибор под названием сейсмограф.

Кстати, первый сейсмограф придумали в Китае ещё в 132 году. Учёный Чжан Хэн создал бронзовый сосуд диаметром около 180 см с маятником внутри. Маятник был способен раскачиваться в восьми направлениях. По краям сосуда сидели восемь драконов с шариками в пасти, а внизу — восемь жаб.

Когда происходило землетрясение маятник срабатывал и с помощью специального механизма, открывал пасть дракона. Из неё выпадал шарик, попадавший в рот одной из восьми жаб. По тому, какой из драконов выбрасывал шарик, узнавали, в каком из восьми направлений произошло землетрясение.

Но вернёмся к шкале Рихтара. Минимальное значение амплитуды М = 0 соответствует тектонической энергии в Е = (10⁹)^1/2 Дж = 3 ∙ 10⁴ Дж. Примерно такая же энергия высвобождается при падении камня массой около 500 кг с высоты 6 м. Естественно, такое событие мы даже не заметим. А вот максимальное значение М = 9,5 соответствует энергии Е = 10¹⁹ Дж. Эта энергия, сравнимая со столкновением Земли с огромным астероидом.

Что важно: если магнитуда двух землетрясений отличается всего на единицу, это не значит, что одно всего лишь в два раза сильнее. Нет. Их энергия будет отличаться более чем в тридцать раз!

Часто в новостях можно услышать ошибку: «произошло землетрясение магнитудой в пять баллов». Запомните: магнитуда — это безразмерная величина, она не измеряется в баллах! Баллы — это уже интенсивность, то есть сила проявления землетрясения на поверхности: как оно повлияло на людей, здания, природу.

В разных странах используют разные шкалы. В Европе — двенадцатибалльную Европейскую макросейсмическую шкалу.

 В Японии — семибалльную шкалу Японского метеорологического агентства.

 А в России и большинстве стран СНГ применяется двенадцатибалльная шкала Медведева — Шпонхойера — Карника.

Однако чаше всего применяется международная двенадцатибалльная сейсмическая шкала «MSK-86», называемая шкалой Меркалли, в честь итальянского сейсмолога Джузеппе Меркали. В ней все возможные землетрясения разбиты на 12 групп по нарастающей силе их проявления.

Давайте пробежимся по ней. Итак, землетрясение в один балл вообще никто не чувствует, его ловят только приборы.

Землетрясение в два балла — очень слабое. Его можно заметить, только если ты очень спокоен и находишься на высоком этаже.

Три балла — слабое — похоже, что под окнами проехал легковой автомобиль.

При землетрясении в четыре балла (умеренное) под окнами проезжает тяжёлый грузовик. Ощущается оно многими людьми.

А вот пять баллов — довольно сильное: его чувствуют все на улице, в домах скрипят полы, осыпается побелка.

Шести баллам соответствует сильное землетрясение. Оно приводит к лёгкому повреждению зданий, появляются трещины в штукатурке.

Семь баллов — это уже очень сильное землетрясение. Уже трудно стоять на ногах, начинает сыпаться штукатурка, падают кирпичи.

Восьми баллам соответствует разрушительное землетрясение. Оно приводит к разрушению в зданиях, рушатся кирпичные стены, башни, в сыром грунте появляются трещины.

При землетрясении в XIX баллов (опустошительное) лопаются каркасы многих строений. А в земле появляются достаточно большие трещины.

Десять баллов — это уничтожающее землетрясение. Происходит разрушение большинства зданий, происходят серьёзные повреждения плотин, наблюдаются мощные оползни.

Землетрясение в одиннадцать баллов — это катастрофа: рвутся железнодорожные пути, а на поверхности земли появляются широкие разломы и трещины. Происходит общее разрушение зданий, и серьёзная деформация железнодорожных путей.

Ну а двенадцать баллов — это уже сильная катастрофа, меняющая ландшафт: рушатся абсолютно все сооружения, появляются новые озёра и водопады, изменяются русла рек.

Дикторы телевидения, комментируя землетрясения, часто допускают ошибку, говоря, что произошло землетрясение магнитудой в 5 баллов. Ещё раз отметим, магнитуда — это величина безразмерная, и в баллах она не измеряется. Поэтому правильно говорить: «Землетрясение магнитудой пять». Магнитуда и интенсивность — это разные характеристики, хотя и связанные между собой.

Связь между магнитудой и интенсивностью в эпицентре определяется глубиной, на которой находится очаг землетрясения. Сильное, но очень глубокое землетрясение может быть менее разрушительным, чем слабое, но приповерхностное.

Яркий пример — ташкентское землетрясение. Оно произошло в 1966 году. Его магнитуда была невелика, всего 5,3. Но из-за того, что очаг залегал на глубине всего 8 км прямо под городом, сила толчков в эпицентре достигла 8 баллов и нанесла огромный ущерб.

Но если бы очаг землетрясения располагался где-нибудь на глубине 15—25 км (как при стандартом землетрясении), его сила была бы не более 5 баллов.

Слабые землетрясения происходят на Земле постоянно, их насчитывают около 350 тыс. в год.

Сильные землетрясения — грозные стихийные явления, несущие порой огромные разрушения и человеческие жертвы, к счастью, достаточно редки. При этом большинство из них рождается в специальных зонах — сейсмических поясах, там, где плиты сталкиваются друг с другом. Самые известные — это Средиземноморско-Азиатский пояс и Тихоокеанское огненное кольцо, на которое приходится до 80 % всех землетрясений планеты

На долю землетрясений приходится четверть всего ущерба от природных катастроф. Опасны не только сами толчки, но и их последствия: разрушение плотин и последующие наводнения, пожары, оползни. Кстати, гибель в открывшемся разломе — это большая редкость из фильмов. В реальности же люди чаще всего погибают под обломками зданий, в которых они находились во время землетрясения.

За всю историю человечества землетрясения унесли жизни миллионов людей и разрушили сотни городов. Самое смертоносное землетрясение произошло в Китае в 1556 году. Оно забрало жизни более 800 тыс. человек.

А самое сильное по магнитуде — 9,5 — было зарегистрировано в Чили в 1960 г.

Изучать землетрясения жизненно необходимо, чтобы научиться их предсказывать и спасать жизни. Кстати, землетрясения бывают не только на суше, но и в океане. И вот там они могут вызывать последствия поистине планетарного масштаба. Но о каких именно последствиях идёт речь, мы обсудим с вами на следующем уроке. А сейчас давайте вспомним и повторим главное из сегодняшнего урока. Итак, сегодня мы с вами выяснили, что такое землетрясение и как оно возникает.