"Физика", Громов С.В., Родина Н.А., Белага В.В. и др./Под ред. Ю.А. Панебратцева
Сейсмические волны — упругие колебания, возникающие при землетрясениях и распространяющиеся в Земле и по её поверхности. Они переносят энергию, но не увлекают вещество целиком: частицы пород колеблются около положения равновесия. Различают продольные, поперечные и поверхностные волны. По их скорости и времени прихода сейсмографы определяют положение эпицентра, оценивают силу землетрясения и изучают внутреннее строение Земли.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Сейсмические волны — упругие волны, возникающие при землетрясениях и распространяющиеся в Земле и по её поверхности. Они передают энергию от одного участка пород к другому. Это понятие нужно, чтобы описывать колебания земной коры и их воздействие на здания.
Очаг землетрясения — место в глубине Земли, где начинается разрушение пород и выделяется энергия. Его также называют областью, из которой расходятся сейсмические волны. Знание положения очага помогает понять, где произошло землетрясение и насколько глубоко.
Эпицентр — точка на поверхности Земли, расположенная непосредственно над очагом. Он не совпадает с самим очагом: очаг находится внутри планеты, а эпицентр — сверху, на поверхности. По положению эпицентра описывают, где землетрясение проявилось сильнее всего.
Сейсмограф — прибор, регистрирующий колебания земной поверхности. Результатом его работы становится запись, на которой видны время прихода волн и сила колебаний. Такие записи используют для исследования землетрясений и строения Земли.
В очаге горные породы внезапно смещаются или разрушаются из-за накопившихся напряжений. Соседние участки породы при этом сжимаются, растягиваются или сдвигаются, поэтому в них возникают упругие силы. Эти силы передают деформацию дальше, от слоя к слою, и так распространяется возмущение, несущее энергию от очага.
Частицы вещества при прохождении волны не летят от очага к станции вместе с возмущением. Каждая частица получает толчок от соседних частиц, отклоняется от положения равновесия и затем возвращается обратно. Поэтому волна движется по среде, а вещество в среднем остаётся на своём месте, подобно частицам верёвки при прохождении по ней импульса.
В продольной волне частицы колеблются вдоль направления распространения волны. Из-за этого в породе чередуются сжатия и разрежения. В поперечной волне частицы движутся перпендикулярно направлению распространения, поэтому возникают сдвиговые деформации.
Продольная деформация возможна в твёрдом теле, жидкости и газе: все эти среды можно сжать или разредить. Для поперечной волны нужно сопротивление сдвигу, то есть способность сохранять форму. Твёрдое тело обладает таким свойством, а жидкость и газ в обычных условиях нет, поэтому поперечные сейсмические волны через жидкости и газы не проходят.
Сейсмограф отмечает момент, когда на станции начинаются колебания, и интервалы между приходом разных волн. Если известна скорость волны, расстояние оценивают по формуле s = vt. Для определения эпицентра сравнивают данные нескольких станций: расстояния до очага задают окружности, а их пересечение указывает положение эпицентра; амплитуда записи помогает оценить силу землетрясения.
| Свойство | Продольные волны | Поперечные волны | Поверхностные волны |
|---|---|---|---|
| Направление колебаний частиц | Вдоль направления распространения | Перпендикулярно направлению распространения | Сложное движение у поверхности |
| Среда распространения | Твёрдые тела, жидкости и газы | Только твёрдые тела | Поверхностные слои Земли |
| Скорость распространения | Обычно наибольшая | Меньше, чем у продольных | Обычно наименьшая |
| Место распространения | Внутри Земли и других сред | Внутри твёрдых слоёв Земли | Вблизи поверхности Земли |
| Воздействие на сооружения | Сотрясают и сжимают конструкции | Вызывают сдвиг и раскачивание | Часто вызывают наибольшие разрушения |
Таблицу удобно использовать для сравнения волн по одному свойству, например по направлению колебаний или среде распространения. Сначала определите признак, а затем найдите подходящую строку. Помните, что большая скорость не означает автоматически большую разрушительность.
Землетрясение породило волну, в которой частицы пород колеблются вдоль направления распространения. Нужно определить вид волны и выяснить, может ли она проходить через жидкость. В условии дан главный признак — направление колебаний частиц.
Ответ: волна продольная; через жидкость она проходить может.
Сейсмическая волна движется со скоростью 5 км/с и достигает станции через 40 с после начала землетрясения. Требуется оценить расстояние от станции до очага. Используем связь расстояния, скорости и времени: s = vt.
Ответ: расстояние от станции до очага примерно равно 200 км. Это расстояние вдоль пути распространения волны, поэтому для точного положения очага нужны данные других станций.
Продольная волна движется со скоростью 6 км/с, а поперечная — 3,5 км/с. Поперечная волна приходит на 20 с позже продольной. Обозначим расстояние до очага через s и составим уравнение для разности времён прихода.
Ответ: расстояние до очага примерно 168 км. Поперечная волна пришла позже, потому что её скорость меньше скорости продольной.
Ошибка: считать, что вещество переносится вместе с сейсмической волной. Её допускают, представляя волну как поток частиц, но на самом деле перемещается энергия, а частицы совершают колебания. Проверка проста: спросите себя, возвращаются ли частицы к исходным положениям после прохождения волны.
Ошибка: путать очаг и эпицентр. Причина — оба термина относятся к одному землетрясению, но очаг находится внутри Земли, а эпицентр — на поверхности над ним. Проверьте себя вопросом: ищете место начала разрушения или точку прямо над ним?
Ошибка: утверждать, что поперечные волны проходят через жидкости. Так происходит, если забывают о необходимости сопротивления сдвигу. Представьте жидкость в сосуде: она меняет форму, а не сохраняет её, поэтому объёмная поперечная волна в жидкости не распространяется.
Ошибка: считать, что более быстрая волна обязательно разрушительнее. Скорость показывает, как быстро распространяется возмущение, а разрушительное действие зависит также от амплитуды, направления колебаний и свойств здания. Сверяйте эти характеристики отдельно.
Для понимания темы нужны знания о механических волнах, колебательном движении, длине волны, скорости и формуле s = vt. Сейсмические волны помогают исследовать строение Земли: по их прохождению, отражению и изменению скорости находят внутренние слои планеты. Практически эти знания применяют при регистрации землетрясений, оценке опасности и создании сейсмостойких зданий.
Почему при землетрясении возникают сразу несколько видов волн?
Разрушение пород вызывает сложное возмущение, в котором частицы могут колебаться и вдоль, и поперёк направления распространения. Поэтому одновременно образуются продольные, поперечные и поверхностные волны.
Почему поперечные сейсмические волны не проходят через жидкости?
Поперечная волна требует, чтобы среда сопротивлялась сдвигу. Жидкость не сохраняет форму при сдвиге, поэтому в её объёме такая волна не распространяется.
Можно ли по времени прихода волн определить расстояние до очага?
Да, если известны скорости волн и время их движения, расстояние находят по формуле s = vt. По разнице времени прихода продольной и поперечной волн расстояние до очага можно вычислить точнее.
Чем очаг землетрясения отличается от эпицентра?
Очаг — это место в глубине Земли, где начинается разрушение пород и выделяется энергия. Эпицентр — точка на поверхности непосредственно над очагом.
Почему поверхностные волны особенно опасны для зданий?
Они распространяются вблизи поверхности, где расположены фундаменты и сами сооружения. Их колебания часто имеют большую амплитуду и вызывают заметные горизонтальные и вертикальные смещения.
§ 23. Сейсмические волны
