Быстрые и медленные волны

Ирландский инженер Роберт Мале, долгие годы изу­чавший землетрясение, которое произошло в итальянской провинции Калабрии в 1857 году, заинтересовался ско­ростью распространения волн в Земле. Исследования, проведенные им, положили начало инструментальной сейсмологии. Пытаясь вызвать искусственные волны в почве, Мале взрывал пороховые заряды и фиксировал время пробега волн по ряби в сосудах с ртутью. Впослед­ствии ученые получили много новых данных о скорости распространения волн в земной коре. Установлено, что скорость эта меняется в различных участках Земли, но в целом ее величина достаточно хорошо известна.

В отличие от вибраций гитарной струны или колоко­ла сотрясения земли вызывают появление серий очень сложных волн. Некоторые из них имеют небольшую дли­ну и столь высокую частоту, что люди обычно их не ощу­щают. Иногда эти волны, появляясь раньше интенсивных колебаний, вызывают тревогу среди животных в зоопар­ках, в то время как люди ничего не чувствуют. Это объ­ясняется тем, что некоторые животные и рыбы обладают повышенным осязанием и слухом. Японцам, например, известно, что морская рыба, внешне очень напоминаю­щая кота, становится беспокойной уже за несколько ча­сов до землетрясения. Вероятно, это вызывается очень слабыми предварительными ударами — форшоками.

Вполне возможно, что некоторые высокочастотные колебания имеют .как раз ту частоту, при которой поро­ды на глубине начинают издавать звуки, иногда слыши­мые во время землетрясений. Но эти звуки могут иметь и другое происхождение: они могут быть вызваны трени­ем или сдавливанием горных пород при прохождении волн. Иногда они бывают настолько сильными, что напо­минают выстрелы или отдаленные раскаты. Многим оче­видцам они кажутся похожими на грохотание повоз­ки по булыжной мостовой. Во время землетрясения 1899 года в Ассаме раскаты из глубин земли раздались за две секунды до толчков.

Известны также волны большей длины и низкой час­тоты — это самые страшные волны. Они-то и разру­шают сооружения и меняют облик местности. Их сила настолько велика, что вызывает оползание грунта и извержение вулканов.

По распространению волн в земной коре ученые опре­деляют, что где-то произошло землетрясение. Не удиви­тельно, что изучение их составляет основное занятие сей­смологов. Современная наука располагает обширными сведениями о волнах и их сложной природе. И хотя в задачу нашей книги не входит изложение всех известных нам сведений, о наиболее важных из них мы попытаемся рассказать.

Самые быстрые волны, первыми прибывающие в лю­бой район земного шара, представляют собой серию про­дольных волн сжатия — разрежения; эти колебания по­добны звуковым, но имеют больший период. Сейсмологи называют их Р-волнами. При прохождении первичных волн мимо наблюдателя сжатие и разрежение пород происходит с периодичностью в 1—2 секунды. При этом отмечается колебательное перемещение частиц пород вдоль линии, направленной к эпицентру землетрясения. Фронт распространения волн этого типа, вероятно, пред­ставляет собой сферу, расширяющуюся в глубинах зем­ли во все стороны от очага землетрясения со средней ско­ростью примерно 8 километров в секунду.

Р-волны проникают сквозь любую среду, в том числе сквозь лед, воду и даже воздух. Они распространяются по всей Земле, затухая лишь тогда, когда исчерпывается их энергия. При встрече со слоями пород различной упру­гости они могут отражаться, подобно свету от зеркала, или же преломляться, подобно лучам света в линзе. Изу­чение распространения этих волн позволило ученым по­нять внутреннее строение Земли. Только благодаря от­ражению волн удалось обнаружить корни гор, о которых мы упоминали выше. Отражаясь от них, волны обра­зуют «мертвое пространство», или «волновые тени».

Один из слоев Земли, который отражает волны об­ратно к поверхности,— это уже известная нам граница Мохоровичича, или «Мохо». Другая граница находится между мантией Земли и ее ядром где-то на полпути к центру. Величайшее открытие датчанки Инге Ле-ман — обнаружение границы между центральной и внеш­ней оболочками ядра — позволило не только заметить слабые отражения от этой неясной границы, но и понять ее природу.

После Р-волн поступают вторичные волны, распро­страняющиеся с меньшей скоростью, примерно 5 кило­метров в секунду. Это поперечные, или сдвиговые, вол­ны, называемые S-волнами. При движении этих волн частицы пород перемещаются перпендикулярно линии распространения подобно волнам, возникающим при колебании туго натянутой веревки. Обычно 5-волны при­ходят после Р-волн с опозданием на несколько секунд, так как их скорость меньше. Они могут следовать путем Р-волн и также отражаться от слоев с различной упру­гостью; единственное их отличие состоит в том, что они не проходят через жидкость. Это объясняется тем, что распространение S-волн сопровождается изменением формы среды, через которую они проходят, а такое из­менение возможно лишь в твердых средах. Жидкость же не сопротивляется изменению формы, так как не облада­ет твердостью.

S-волны не проходят через ядро Земли, поэтому пола­гают, что ядро жидкое. Во всяком случае, вещество ядра ведет себя как жидкость. Правда, мы не можем с уверен­ностью утверждать, что там находится жидкость; нам трудно даже представить, в каком состоянии должны на­ходиться породы в этой зоне высоких температур и ко­лоссальных давлений.

Существуют и другие виды волн. Так называемые L-волны намного длиннее Р- и S-волн. В течение одной минуты они совершают от силы три-четыре колебания. L-волны состоят из волн двух типов, названных по име­ни их первооткрывателей. Волны Лява перемещают ча­стицы пород в поперечном направлении, подобно S-вол­нам. Волны Релея — наиболее сложные из всех; частицы пород, имеющие, помимо вертикальных колебаний, еще и горизонтальную компоненту, описывают почти замкну­тую кривую.

Очень важно помнить, что L-волны распространяются только вдоль поверхности Земли и с гораздо меньшей скоростью, чем все остальные. Они вызывают самые сильные колебания почвы и дают наибольшие пики на сейсмограммах. Иногда L-волны служат причиной наи­более сильных разрушений. В ряде случаев они распро­страняются по всей Земле и их можно зафиксировать на сейсмограммах даже через несколько дней после земле­трясения.

Поскольку все эти различные волны расходятся от исходной точки по определенному пути и с определен­ной скоростью, можно попытаться выяснить причину их появления. Они пересекают внешние оболочки Земли и дают нам сведения о землетрясении. Что же можно из­влечь из посланий, которые попадают к нам из глубин, недоступных для непосредственных исследований?

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий
SQL - 48 | 0,159 сек. | 12.51 МБ