Гэвин Претор-Пинни - Занимательное волноведение. Волненя и колебания вокруг нас
Если брать планетарные масштабы, то Земля также содержит в себе твердое «тело», окруженное более мягкой «тканью». Выройте ямку глубиной примерно в 5 000 км — это где-то три четверти пути до центра Земли, — и вы на него наткнетесь.
О строении Земли нам известны удивительные вещи. Внешний слой состоит из твердой земной коры, примерно 30 км толщиной; за ней идет верхняя мантия — слой твердых пород, который уходит на глубину около 60 км, за верхней мантией — мантия из очень вязкого вещества. На глубине без малого 3 000 км начинается внешнее ядро — слой из расплавленного железа и никеля; считается, что потоки внутри них обусловливают земной магнетизм. Прямо посреди этой жидкости располагается твердое внутреннее ядро около 2 500 км в поперечнике. Это почти три четверти диаметра Луны; внутреннее ядро состоит из твердого железа и никеля (а вовсе не сыра, как когда-то думали про Луну).
Но откуда мы все это знаем, если до сих пор забирались не глубже 12,3 км? (Скважину именно такой глубины пробурили русские на Кольском полуострове.) От ударных волн — тех, что вызываются землетрясениями.
Всемирная стандартизированная сейсмологическая сеть станций, создание которой завершилось в 1961 году, представляет собой глобальную систему измерительных устройств, улавливающих раскаты ударных волн от ядерных взрывов. Эта сеть должна была обеспечивать выполнение Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний, заключенного в 1963 году между США, Британией и СССР. Согласно этому договору, запрещались любые наземные испытания ядерного оружия.
Но со временем сеть начали использовать и для высокоточного определения землетрясений. Каждое землетрясение засекалось с помощью метода триангуляции — сравнивалось время прибытия сейсмических волн, зафиксированных приборами в разных местах. Впервые стало ясно, что расположение эпицентров землетрясений — точек на поверхности, находящихся прямо над подземными источниками колебаний — далеко не случайно — большая их часть концентрируется вдоль хорошо заметных геологических разломов. Это открытие перевернуло наши представления о земной коре, подтвердив теорию о тектонике плит, согласно которой земная поверхность состоит из огромных плит твердых пород, постепенно перемещающихся относительно друг друга. Землетрясения в основном происходят на границах плит — при резком разрыве пород с их взаимным смещением накопленная энергия, освобождаясь, вызывает волновые колебания поверхности земли, то есть землетрясения. Смещение тектонических плит порождает ударные волны, реверберирующие по всей планете. И хотя каждый день в мире происходит около пятидесяти землетрясений, лишь малая их часть порождает колебания достаточно мощные для того, чтобы их могли уловить приборы в самых разных точках земного шара.{93}
Под землей землетрясение порождает огромное количество самых разных волн, каждая из которых ведет себя по-своему. Сейсмические волны подразделяются на две основные группы, в зависимости от способа распространения: внутри земли или вдоль поверхности.
Волны внутри земли распространяются быстрее волн, идущих вдоль поверхности. По ним сейсмологи определяют местонахождение землетрясения — сравнивают данные о времени прибытия волн, регистрируемые разными наблюдательными станциями. Самые быстрые, приходящие первыми — первичные волны, или Р-волны; они проносятся через землю со скоростью 8-13 км/с.{94} Р-волны относятся к продольным волнам и представляют собой сжатие-разрежение недр Земли. Другими словами, это волны плотности, волны сжатия-растяжения, которые распространяются посредством колебаний земного вещества вдоль направления движения волны. Р-волны — это ударно-волновая версия других волн сжатия-разрежения, а именно акустических волн. Мы слышим звуки, как под водой, так и через стену — от соседей; точно так же Р-волны проходят как через жидкие среды, так и через твердую материю Земли. От других акустических волн их отличает резко выраженный, мощный фронт волны и интенсивность колебаний.
Упругие сейсмические волны распространяются в недрах Земли. Р-волны представляют собой волны продольные, S-волны — поперечныеНаходящийся в тысячах километров от эпицентра мощного землетрясения сейсмограф сначала зарегистрирует Р-волны. Несколькими минутами позже до него дойдут волны другого типа, также относимые к упругим сейсмическим волнам — вторичные волны, или S-волны. Они распространяются в недрах Земли медленнее — их скорость составляет всего 60% от скорости Р-волн, то есть от 4 до 12 км в секунду.{95} S-волны — поперечные: земная порода колеблется из стороны в сторону, или вверх-вниз относительно направления распространения волн.
Благодаря тщательному анализу сейсмических волн, тут же следующих за землетрясением (тип волн, расстояние, на котором они были зарегистрированы, скорость распространения), удалось составить довольно точное представление о недрах нашей планеты.
К примеру, на стороне земного шара, противоположной точке землетрясения, S-волн никогда не бывает. Эта гигантская «тень» — только не волн света, а сейсмических волн — свидетельствует о том, что в центре планеты находится вещество, препятствующее распространению S-волн сквозь Землю. Судя по размерам «тени», блокирующая область чуть больше Марса. Благодаря «тени» геологи определили, что находящийся под мантией Земли следующий слой, внешнее ядро, пребывает в жидком состоянии. Как они догадались? Дело в том, что поперечные волны, те самые, что колеблются из стороны в сторону, как S-волны, через жидкости не распространяются.
Но почему? А потому, что в отличие от твердых веществ, жидкость при движении из стороны в сторону не пружинит. Она не оказывает сопротивления движению по надвигам, в ней не возникают силы упругости, при наличии которых поперечная волна двигается в среде. S-волна может распространяться только через твердое вещество, поскольку оно оказывает сопротивление движению по надвигам. Твердая порода, возвращаясь в ту точку, откуда начала движение, когда возникло колебание в одну сторону, пружинит — то есть волновые вибрации через нее распространяются. А вот жидкость под воздействием вибраций из стороны в сторону не пружинит — она их поглощает, перетекая туда и обратно. Получается, что именно жидкое вещество преграждает поперечным S-волнам путь в недрах Земли, отбрасывая «тень» на противоположную сторону планеты.
Рассуждая подобным образом, геологи выстроили рабочую модель Земли, обозначив переход земной коры в вязкую мантию, а вязкой мантии — в жидкое внешнее ядро, сменяющееся твердым внутренним. Уточнению модели способствовал и тот факт, что Р-волны и S-волны при распространении через слои разной плотности меняют скорость. Иными словами, происходит рефракция. Волны, распространяясь по дуговой траектории, при прохождении градиентов плотности внутри одного слоя резко меняют направление. Однако сложить мозаику из отдельных, разрозненных фактов, непросто. Волны будто нарочно пытаются сбить нас со следа, переходя одна в другую: S-волна может перейти в Р-волну, и наоборот.
Разветвленная сеть сейсмографов позволяет провести «медицинский осмотр» планеты. Как поглощение и рассеяние ультразвуковых волн, пропускаемых через матку, позволяет увидеть еще не родившегося ребенка, так волны от сейсмических толчков землетрясения позволяют увидеть нутро матушки-Земли.
Вот мы тут рассуждаем о сейсмических волнах, а ведь чуть не забыли о самом главном (по крайней мере, для нас) их свойстве: сейсмические волны способны вызывать на поверхности земли ужасающие разрушения. Но повинны в разрушениях не столько упругие волны, сколько поверхностные волны. Само их название подсказывает — они распространяются вдоль поверхности Земли. Поверхностные волны берут начало от эпицентра землетрясения и проходят через твердую земную кору, не затрагивая более глубокие слои. Их скорость чуть ниже скорости S-волн; собственно, это третий тип регистрируемых сейсмографами волн.
Поверхностные волны подразделяются на два вида: волны Лява и волны Рэлея, названные по именам ученых, описавших их математически. Волны Лява колеблют земную поверхность горизонтально — из стороны в сторону относительно направления распространения волны. Волны Рэлея, наоборот, перекатываются вверх-вниз; земля при этом перемещается по траектории овала, что роднит волны Рэлея с волнами океаническими.[42]
Поверхностные волны, распространяясь вдоль земной коры, причиняют разрушения более серьезные, нежели упругие волны. Поверхностные волны, колеблющие землю из стороны в сторону, называются волнами Лява, а те, что перекатываются вверх-вниз — волнами РэлеяСходство волн Рэлея и морских волн было подмечено одним из очевидцев землетрясения 1886 года в городе Чарльстон, штат Южная Каролина:
