Гэвин Претор-Пинни - Занимательное волноведение. Волненя и колебания вокруг нас

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] Хотя земная поверхность при этом и перемещается в направлении, обратном направлению перемещения воды в океанических волнах.

Сходство волн Рэлея и морских волн было подмечено одним из очевидцев землетрясения 1886 года в городе Чарльстон, штат Южная Каролина:

«Земля пошла волнами — совсем как па море… И волны эти выглядели точь-в-точь как те, что я тысячу раз видел с берега Салливан-Айленда… Казалось, волны идут и с юго-запада, и с северо-запада, пересекая улицу по диагонали и проходя друг через друга; они поднимали меня и опускали — я как будто качался на волнах неспокойного моря». {96} 96 Dutton, С. Е., “The Charleston Earthquake of August 31, 1886”, U.S. Geological Survey, 9 h Annual Report, 1887-1888.

Величина поверхностных волн, а следовательно, и разрушительная сила землетрясения, зависит не только от амплитуды колебаний, но и от глубины положения их центра. Сильное землетрясение на глубине более 300 км породит лишь незначительные поверхностные волны по сравнению с землетрясением у поверхности земли. Центр ужасающего землетрясения в 7 баллов, произошедшего в январе 2010 года на Гаити и до основания разметавшего Порт-о-Пренс, находился всего в 13 км от поверхности земли. Поэтому его поверхностные волны оказались такими губительными, сравняв город и пригороды с землей. Здания и инфраструктура столицы гаитян, нации довольно бедной, возводились без учета сейсмической активности и не устояли против землетрясения и последовавшей за ним серии многочисленных повторных толчков. В результате за считанные часы погибло около 230 000 человек.

Однако существует в природе такой зверек, которому ударные волны близки и знакомы; взгляните на следующую страницу.

Это рак-щелкун, которого еще называют креветкой. Креветка принадлежит семейству Alpheidae, подтип ракообразные; она обитает среди океанических рифов тропических и умеренных широт. В длину креветка едва достигает 5 см; даже не верится, что такое тщедушное существо может иметь что-то общее с ударными волнами. Однако вспомните: ударные волны характеризует отнюдь не размер, а резко выраженный фронт, высокая скорость распространения и последствия воздействия на среду. Ударные мини-волны не только существуют, но и являются рабочим инструментом этой самой боксирующей креветки. Я говорю «боксирующей», потому что одна клешня у нее заметно больше другой — креветка напоминает потерявшего одну перчатку боксера.

Захлопывая клешню с невероятной скоростью, креветка производит резкий щелкающий звук — так она общается с сородичами. Нырните на глубину и проплывите возле колонии этих креветок — можно подумать, будто вы очутились на подводной фабрике попкорна. Хлопки клешней нескольких креветок могут быть настолько громкими, что во время Второй мировой они даже мешали подводным лодкам отслеживать передвижения вражеских субмарин.

Однако щелкающие звуки составляют не только креветочную «азбуку Морзе» — они выступают в качестве смертоносного оружия. Когда креветка щелкает клешней, возникает струя воды, текущей со скоростью 105 км/ч. Когда дети плещутся в бассейне и под водой резко сжимают кулаки, получаются те же струи, только скорость у них меньше. Креветка с помощью струи оглушает, а иногда даже убивает небольшую рыбу и креветок других видов. Зрелище само по себе впечатляющее. Но удивительнее всего то, что орудием убийства выступает отнюдь не захлопывающаяся со звуком кастаньет клешня, а подводная ударная волна. {97} 97 Versluis, M., Schmitz, В., von derHeydt, A., andLohse, D., “How snapping shrimp snap: through cavitatingbubbles”, Science 289: 2114-17 (2000).

И хотя ударная волна имеет малые масштабы, по силе воздействия ее можно сравнить с извержением Кракатау. Струя воды развивает скорость, достаточную для того, чтобы возник кавитационный пузырек. В момент зарождения струи давление падает настолько, что морская вода моментально превращается в пузырек водяного пара. В течение нескольких миллисекунд этот пузырек с силой схлопывается, порождая ударную волну, которая распространяется как участок сильного повышения давления и способна оглушить жертву на расстоянии 4 см.