Сейсмические волны: что это такое и как они распространяются

Земля кажется нам надежной и устойчивой. Но на самом деле она постоянно испытывает микроскопические колебания от природных или искусственных источников. Эти колебания называются сейсмическими волнами. Давайте разберемся, что это такое.

Что такое сейсмические волны

Сейсмические волны - это упругие волны, распространяющиеся в твердых породах Земли. Они возникают от различных источников:

• Природные явления - землетрясения, извержения вулканов, обвалы
• Техногенные взрывы при проведении работ
• Удары, вибрации, движение крупных масс
• Даже от ветра, колышущего траву, возникают микросейсмы

Существует два основных типа сейсмических волн:

1. Объемные волны, распространяющиеся по всему объему среды. Они делятся на:
   Продольные или P-волны - вызывают сжатие и растяжение пород Поперечные или S-волны - вызывают изменение формы без изменения объема
2. Поверхностные волны, идущие вдоль поверхности раздела сред. К ним относятся:
   Волны Рэлея Волны Лява

Основные характеристики сейсмических волн:

• Скорость распространения
• Амплитуда колебаний частиц среды
• Частота колебаний

Для регистрации сейсмических волн используются специальные сейсмографы и сейсмометры. По показаниям этих приборов ученые анализируют параметры волн и делают выводы об их источниках и среде распространения.

Скорость распространения сейсмической волны

На скорость сейсмической волны влияют такие факторы, как плотность и упругие свойства горных пород. В среднем, чем глубже, тем выше скорость:

Разная скорость для разных типов волн. Например, P-волны в среднем распространяются в 1,7 раза быстрее S-волн. Используя эти закономерности, по скоростям волн определяют строение недр Земли.

Направления распространения сейсмических волн

В однородной среде сейсмические волны распространяются прямолинейно от источника. Но реальные горные породы неоднородны, поэтому происходит:

• Преломление и отражение волн на границах раздела сред с разными свойствами
• Рассеяние волн на неоднородностях
• Постепенное затухание волн по мере удаления от источника

Интересный факт: S-волны не могут распространяться в жидких средах. Поэтому по их отсутствию во внешнем ядре Земли ученый

Ричард Олдхэм в 1906 году выдвинул гипотезу, что оно находится в жидком состоянии

.

Таким образом, изучая особенности распространения сейсмических волн разных типов, можно исследовать внутреннее строение Земли и других неоднородных сред.

Практическое использование сейсмических волн

Благодаря своим уникальным свойствам, сейсмические волны находят применение в различных областях.

• Определение параметров землетрясений

По времени прихода P- и S-волн сейсмические станции определяют координаты эпицентра и глубину гипоцентра землетрясения. А по амплитуде и частоте волн оценивают силу подземных толчков.

• Геофизические исследования

Изучая преломление и отражение сейсмических волн в недрах, геофизики исследуют строение Земли. Это помогает найти полезные ископаемые, изучить геологические разломы и другие особенности.

• Поиск полезных ископаемых

Отражение сейсмических волн используется при поисках нефти и газа. Волны по-разному отражаются от пустот, заполненных углеводородами. Это позволяет обнаруживать месторождения.

В каких направлениях распространяются сейсмические волны

Сейсмические волны распространяются со скоростью от единиц до десятков километров в секунду, в зависимости от свойств среды. Их путь определяется неоднородностью этой среды.

В однородном пространстве волны распространяются по прямой от источника. При попадании на границу раздела сред, они могут:

• Преломляться, меняя направление
• Отражаться, возвращая часть энергии назад
• Порождать новые типы волн

Такие эффекты позволяют исследовать внутреннее строение Земли по характеристикам распространяющихся волн.

Опасность сейсмических волн

Хотя сейсмические волны сами по себе безвредны, они могут нести опасность во время сильных землетрясений.

• Разрушительная сила

В эпицентре мощного подземного толчка амплитуда сейсмических волн достигает нескольких метров. Это вызывает разрушения зданий, коммуникаций, инфраструктуры.

• Уязвимые конструкции

Больше всего от сейсмических волн страдают высотные и крупные сооружения, мосты, плотины. Наиболее разрушительны волны с частотой, близкой к собственной частоте колебаний здания.

• Вторичные эффекты

Сейсмические толчки могут вызвать оползни, разжижение грунтов, цунами и другие опасные вторичные эффекты.

Защита от сейсмических волн

Чтобы снизить разрушения от землетрясений, используют такие меры:

• Строительство с учетом сейсмики региона
• Укрепление фундаментов и несущих конструкций
• Использование гибких и амортизирующих материалов
• Установка датчиков и систем оповещения

При получении сигнала о землетрясении важно соблюдать меры безопасности, чтобы избежать травм от падающих предметов и конструкций.

Интересные факты о сейсмических волнах

За многовековую историю изучения сейсмических явлений учеными было сделано немало любопытных открытий.

• Самые мощные волны

Сильнейшие зарегистрированные сейсмические волны были от землетрясения в Чили в 1960 году - их амплитуда на некоторых станциях превышала 5 см.

• Необычные источники

Оказалось, что сейсмические волны порождают даже такие явления, как северное сияние. А в атмосфере Земли существуют постоянные микросейсмы неизвестного происхождения.

• Удивительные эффекты

Упругие волны способны огибать препятствия, подобно звуковым или световым волнам. Также они могут интерферировать и даже усиливать друг друга.

Перспективы изучения сейсмических волн

Несмотря на многолетние исследования, изучение сейсмических волн продолжает открывать много нового об окружающем мире. Ученые видят несколько перспективных направлений дальнейшей работы:

• Совершенствование методов регистрации сейсмических колебаний
• Мониторинг слабых фоновых сейсмических шумов
• Применение сейсмических волн гораздо шире, чем сейчас

И это лишь малая часть того потенциала, который скрывается за феноменом сейсмических волн!