Глава 2 · Плиты, которые ползут на несколько сантиметров в год
Землетрясения
Головоломка на карте
Посмотрите на карту: берег Южной Америки подходит к берегу Африки, как две детали одной головоломки. В 1912 году немецкий учёный Альфред Вегенер заявил, что это не случайность: материки когда-то были соединены и разошлись. Он указывал на совпадающие горные породы и одинаковые окаменелости по обе стороны океана. Единый суперконтинент называют Пангеей. Он собрался примерно 335 миллионов лет назад и начал распадаться примерно 175 миллионов лет назад, хотя даты приблизительные. Большинство учёных Вегенеру не поверили, потому что он не мог объяснить, что именно двигает материки. На картинке суша сдвигается обратно в одно целое.
Со скоростью ногтя
Ответ появился в 1960-х годах и получил название тектоники плит. Внешняя оболочка Земли толщиной около 100 км разбита на семь–восемь больших плит и множество малых, которые плавают на более мягкой горячей породе. Они движутся на 2–10 сантиметров в год, примерно как растут ногти. Кажется, что это ничто, но возьмите 4 см в год и 100 миллионов лет: 4 см, умноженные на 100 миллионов, дают 4 000 километров — ширину океана. Плиты расходятся, скользят друг вдоль друга или сталкиваются, и именно на их границах больше всего землетрясений и вулканов.
Застрять и сорваться
Там, где две плиты соприкасаются, трение может держать их десятилетиями, пока порода изгибается, как растянутая пружина. Когда напряжение становится сильнее трения, разлом проскальзывает, и порода распрямляется. Эта идея называется упругой отдачей, её сформулировали после землетрясения в Сан-Франциско в 1906 году. Точка под землёй, где всё начинается, — гипоцентр, а точка над ней на поверхности — эпицентр. На картинке две стороны разлома рывком сдвигаются друг относительно друга, и по породе расходятся кольца волн.
P, S и сейсмограф
Землетрясение посылает два вида волн. Волны P быстрые, в коре они идут со скоростью около 6 км/с и сжимают и растягивают породу. Волны S медленнее, около 3,5 км/с, и качают её из стороны в сторону. Сейсмограф записывает обе: у него есть тяжёлый груз, который остаётся неподвижным, пока земля движется. По разнице во времени между P и S можно узнать расстояние: примерно 8 км на каждую секунду разницы. Пример: если S пришла на 10 секунд позже P, очаг находится примерно в 80 км. Три станции рисуют три окружности, и они пересекаются в эпицентре. Попробуйте разницу S–P в песочнице.
Шаг в 32 раза
Шкала магнитуд логарифмическая. Каждый целый шаг означает примерно в 10 раз большее смещение грунта и примерно в 32 раза больше энергии, потому что 10 в степени 1,5 равно 31,6. Пример: землетрясение магнитудой 7 выделяет примерно в 32 × 32, то есть около 1 000 раз больше энергии, чем магнитудой 5. Самое сильное из измеренных землетрясений произошло около Вальдивии в Чили 22 мая 1960 года, его магнитуда — 9,5. Землетрясение у берегов Японии в 2011 году имело магнитуду около 9,1. Выберите магнитуду в песочнице и сравните с первым шагом шкалы.
Волна через океан
Когда землетрясение поднимает или опускает морское дно, движется и вода над ним, и рождается цунами. На глубокой воде её скорость равна квадратному корню из g, умноженного на глубину. Для океана глубиной 4 000 метров это корень из 9,8 × 4 000, около 200 м/с, или 700 км/ч — как у пассажирского самолёта. В открытом море волна ниже метра, и растёт она только у берега. Официальный совет прост: если у побережья сильно трясёт землю, сразу идите на возвышенность, не дожидаясь сирены. На суше службы советуют лечь на пол, укрыться и держаться, пока толчки не закончатся.
Здания, которые гнутся
Большинство жертв землетрясения связано не с самим грунтом, а с обрушившимися зданиями. Поэтому инженеры строят так, чтобы здание раскачивалось, а не ломалось. Они добавляют стальные раскосы, ставят здание на резиново-стальные опоры, позволяющие земле двигаться под ним, или помещают внутрь гигантский маятник. В небоскрёбе «Тайбэй 101» на верхних этажах подвешен шар-демпфер массой 660 тонн, который качается против колебаний башни. Точное время землетрясения предсказать нельзя. Зато в некоторых странах есть системы раннего оповещения, дающие от нескольких секунд до десятков секунд до прихода сильных толчков.
В цифрах
- 9,5
- самое сильное записанное землетрясение, Чили, 1960
- × 32
- энергии с каждым шагом магнитуды
- ≈ 8 км
- расстояния на каждую секунду разницы S–P