Землетрясения — мощные природные явления, которые происходят, когда накопленная энергия, хранящаяся в земной коре, резко высвобождается, в результате чего земля встряхивается. Величина землетрясения — это численная мера, которая количественно определяет его размер и количество энергии, которую он выделяет. Среди различных методов, разработанных для измерения магнитуд землетрясений, шкала Рихтера исторически является наиболее известной и широко упоминаемой. Понимание магнитуд землетрясений и весов, используемых для их измерения, имеет важное значение для оценки потенциального воздействия, руководства чрезвычайным реагированием и улучшения строительных норм и усилий по обеспечению готовности во всем мире.

Происхождение шкалы Рихтера

Шкала Рихтера была разработана в 1935 году американским сейсмологом Чарльзом Рихтером, работавшим в Калифорнийском технологическом институте (Caltech). В то время не было стандартизированного метода сравнения размеров землетрясений, особенно тех, которые происходят локально в Южной Калифорнии, регионе, часто подверженном сейсмической активности. Целью Рихтера было создание простой, воспроизводимой шкалы, которая могла бы количественно оценить размер умеренных землетрясений с использованием данных местных сейсмографов.

Метод Рихтера был основан на измерении амплитуды самой большой сейсмической волны, зарегистрированной конкретным инструментом, известным как сейсмометр торсиона Вуда-Андерсона. Этот сейсмометр был откалиброван для обеспечения согласованных показаний на стандартном расстоянии 100 километров от эпицентра землетрясения. Одним из ключевых нововведений Рихтера было введение коэффициента коррекции, учитывающего расстояние между землетрясением и измерительной станцией, что позволяло проводить значимые сравнения даже при расположении сейсмографов на разных расстояниях.

Первоначально предназначенная для локальных и умеренных землетрясений, шкала Рихтера быстро получила международное признание благодаря своей прямолинейной логарифмической природе и простоте использования, но по мере развития технологии сейсмического мониторинга и необходимости измерения более крупных, более отдаленных или более глубоких землетрясений стали очевидными ограничения шкалы Рихтера, что привело к разработке более всеобъемлющих масштабов.

Как работает шкала Рихтера

Шкала Рихтера — логарифмическая шкала, то есть каждое целое увеличение числа соответствует десятикратному увеличению амплитуды сейсмических волн, зафиксированных сейсмографом.Например, землетрясение размером 5,0 по шкале Рихтера имеет сейсмические волны амплитудой в десять раз большей, чем землетрясение размером 4,0.

Что еще более важно, энергия, выделяемая землетрясением, увеличивается экспоненциально с величиной. В частности, высвобождение энергии увеличивается примерно в 31,6 раза для каждого целого числа, увеличивающегося в величине. Эта экспоненциальная связь объясняет, почему даже, казалось бы, небольшое увеличение величины может привести к значительно большему разрушительному потенциалу.

Формула, используемая для вычисления величины Рихтера, часто обозначается как ML (локальная величина), является:

ML = log10(A) + f(Δ)

В этой формуле A — максимальная амплитуда сейсмических волн, регистрируемая сейсмометром Вуда-Андерсона в миллиметрах, а f(Δ) — поправочный коэффициент, учитывающий расстояние (Δ) между эпицентром землетрясения и сейсмографом. Эта коррекция расстояния необходима, поскольку сейсмические волны ослабевают при прохождении через Землю.

Роль сейсмических волн в измерении

Шкала Рихтера в первую очередь опирается на измерение амплитуды поверхностных волн и S-волн, которые несут наибольшую энергию и вызывают сильнейшее сотрясение вблизи поверхности Земли. Первичные волны (P-волны) движутся быстрее, но обычно имеют меньшие амплитуды и менее разрушительны. Поверхностные волны — как волны Лав, так и волны Рэлея — движутся вдоль земной коры и несут ответственность за большую часть сотрясения, ощущаемого во время землетрясения.

Сейсмографы захватывают все эти типы волн, но амплитуда самой большой поверхностной волны или S-волны обычно используется для определения величины Рихтера.Поскольку каждое землетрясение производит уникальную форму волны в зависимости от его механизма источника и геологической структуры, через которую оно проходит, простота и стандартизация шкалы Рихтера сделали его эффективным инструментом для ранней сейсмологии.

Ограничения шкалы Рихтера

Несмотря на свою новаторскую роль, шкала Рихтера имеет несколько важных ограничений, которые ограничивают ее использование, особенно для современной сейсмологии:

  • Расстояние и чувствительность к глубине:] Шкала была откалибрована для мелких землетрясений, происходящих в пределах около 600 километров от сейсмографа. Для более глубоких землетрясений или далеких от измерительных станций измерения амплитуды становятся менее надежными, снижая точность оценки магнитуды.
  • Насыщение на высоких магнитудах:] Шкала Рихтера насыщает крупные землетрясения, как правило, выше магнитуды 8,0. Это означает, что за этим порогом зарегистрированные амплитуды сейсмических волн не увеличиваются пропорционально фактической высвобожденной энергии, в результате чего шкала недооценивает размер очень крупных событий.
  • Региональная изменчивость:] Оригинальная калибровка была основана на геологии Южной Калифорнии, которая влияет на то, как распространяются сейсмические волны. Различные типы горных пород и структуры коры в других регионах изменяют скорости и амплитуды волн, требуя регулировки или альтернативных шкал для точного измерения.

Из-за этих ограничений сейсмологи в значительной степени перешли к использованию шкалы магнитуды момента (FLT:0)Mw] для более точных и последовательных измерений, особенно для крупных и отдаленных землетрясений.

шкала величины момента (Mw)

Введенная в 1970-х годах Хироо Канамори и Томасом Хэнксом, Шкала Момента Магнитуды была разработана для преодоления недостатков шкалы Рихтера, вместо того, чтобы полагаться только на амплитуды волн, она количественно определяет общую физическую энергию, выделяемую землетрясением, исходя из сейсмического момента, который является мерой геометрии разлома и проскальзывания во время разрыва.

Сейсмический момент (]M0) рассчитывается как:

M0 = μ × A × D

где:

  • μ — это жесткость (модуль сдвига) вовлеченных пород, обычно около 30 гигапаскалей (GPa).
  • А — область разлома, которая проскользнула во время землетрясения.
  • D — среднее смещение (скальзывание) по разлому.

Величина момента Mw затем выводится из сейсмического момента по формуле:

Mw = (2/3) × log10M0 — 6.0

Эта шкала не насыщается при высоких величинах и применима для землетрясений всех размеров, что делает ее предпочтительной шкалой для научной и аварийной отчетности во всем мире. Геологическая служба США (USGS) и большинство международных агентств теперь сообщают о магнитудах землетрясений с использованием Mw. Несмотря на это, термин «шкала Рихтера» остается популярным в средствах массовой информации и общественных дискуссиях, часто используется в общем смысле для обозначения магнитуды землетрясения.

Понимание магнитудных классов землетрясений и их последствий

Чтобы помочь сообщить о потенциальном воздействии землетрясений, сейсмологи классифицируют величины по классам на основе типичных эффектов и уровней ущерба.Эти категории приблизительны и фактический ущерб зависит от различных факторов, включая глубину, расстояние до населенных пунктов и местную геологию.

  • Micro (менее 2.0): Обычно не ощущается людьми и обнаруживается только чувствительными сейсмографами.
  • Меньшее (2.0-3.9): Часто ощущается в помещении как легкое тряска, но редко вызывает повреждение.
  • Свет (4.0-4.9): Заметное тряска, незначительные повреждения возможны на плохо построенных зданиях.Около 10 000 таких событий происходят ежегодно во всем мире.
  • Умеренные (5.0-5.9): могут нанести ущерб более слабым сооружениям; хорошо построенные здания обычно испытывают незначительный вред. Около 1000 таких землетрясений происходят ежегодно.
  • Сильное (6.0-6.9): Широко распространенный ущерб, вероятно, на больших площадях. Ежегодно происходит около 100 событий.
  • Майор (7.0-7.9): В населенных районах возможны тяжелые повреждения и тяжелые потери. Ежегодно происходит примерно 15 таких землетрясений.
  • Великолепно (8.0 и выше): Катастрофический ущерб над обширными регионами.В среднем, только одно или два таких события происходят каждое десятилетие во всем мире.

Важно отметить, что эти классы обеспечивают общее руководство. Такие факторы, как дизайн здания, плотность населения и местные условия почвы, глубоко влияют на фактический ущерб и воздействие землетрясения на человека.

Энергосбережение и сравнительные примеры

Чтобы понять огромную энергию, выделяемую во время землетрясений, помогает сравнить их с привычными событиями.

  • Землетрясение магнитудой 5,0 высвобождает энергию, примерно эквивалентную атомной бомбе, сброшенной на Хиросиму, которая оценивается примерно в 15 килотонн тротила.
  • Землетрясение магнитудой 6,0 высвобождает примерно в 31,6 раза больше энергии, чем магнитудой 5,0, что эквивалентно примерно 30 бомбам Хиросимы.
  • Землетрясение магнитудой 7,0 высвобождает примерно в 1000 раз больше энергии, чем магнитудой 5,0, что сопоставимо с примерно 1000 бомбами Хиросимы.

Самым крупным землетрясением, когда-либо зарегистрированным, было землетрясение 1960 года в Вальдивии в Чили, которое зарегистрировало магнитуду 9,5. Это событие высвободило энергию, которая, по оценкам, в 2,5 раза превышала годовое потребление энергии всей территории Соединенных Штатов в то время. Землетрясение вызвало массивное цунами, которое вызвало разрушения на таких далеких Гавайях, в Японии и на Филиппинах.

Другим заметным примером является землетрясение в Тохоку в Японии в 2011 году, которое имело магнитуду момента 9,0-9,1. Зона разрыва этого землетрясения простиралась примерно на 500 километров вдоль разлома, а морское дно в некоторых районах сместилось горизонтально на 50 метров. В результате цунами погибло более 15 000 человек и спровоцировало ядерную катастрофу на Фукусиме, что подчеркивает катастрофический потенциал таких крупномасштабных событий.

Сравнение малых и больших величин

Поскольку шкала величин логарифмическая, казалось бы, небольшие численные различия представляют собой огромные вариации в высвобождении энергии. Например, землетрясение магнитудой 7,0 высвобождает примерно в 1000 раз больше энергии , чем землетрясение магнитудой 5,0, а не только в 100 раз. Это экспоненциальное увеличение объясняет, почему землетрясения выше магнитуды 6,5 часто вызывают значительные структурные повреждения даже в хорошо спроектированных зданиях.

Как измеряются землетрясения сегодня

Современный мониторинг землетрясений опирается на обширные сейсмические сети, оснащенные высокочувствительными широкополосными сейсмометрами, способными обнаруживать движение земли от землетрясений в любой точке земного шара. Тысячи сейсмических станций непрерывно записывают данные, которые передаются в режиме реального времени в централизованные центры обработки, такие как Национальный информационный центр землетрясений USGS (NEIC).

Сейсмологи используют несколько передовых методов для анализа данных о землетрясениях, в том числе:

  • Момент инверсии тензора: Определяет ориентацию разлома и характер проскальзывания разлома, помогая охарактеризовать механизм источника землетрясения.
  • Магнитуда поверхностной волны (M]s): Используется для мелководных землетрясений с хорошо развитыми поверхностными волнами, обычно в диапазоне 5,0—8,5 баллов.
  • Магнитуда тела-волны (m]b): На основе амплитуды Р-волн; полезна для измерения глубоких землетрясений и событий, обнаруженных на телесейсмических расстояниях (далеко от эпицентра).
  • Магнитуда продолжительности (M]d): Происходит от продолжительности тряски и часто применяется к очень небольшим или локальным сейсмическим явлениям.

Такие инструменты, как Глобальная сейсмографическая сеть (GSN) и региональные центры, такие как Европейский-средиземноморский сейсмологический центр (EMSC), обеспечивают возможности быстрого обнаружения землетрясений и предупреждения о цунами.

Примечательные землетрясения по величине

Ниже приведены некоторые исторически значимые землетрясения, которые иллюстрируют диапазон величин и их различные воздействия:

  • 9.5 — 1960 Вальдивия, Чили: Крупнейшее зарегистрированное землетрясение. Оно вызвало приблизительно 1655 смертей, в основном из-за возникшего цунами.
  • 9.2 — 1964 Prince William Sound, Alaska: Второе по величине зарегистрированное землетрясение. Оно вызвало цунами, опустошившие прибрежные сообщества и приведшие к 131 смерти.
  • 9.1 — 2004 Суматра-Андаман: Это массивное землетрясение вызвало цунами в Индийском океане, в результате которого погибло более 227 000 человек в 14 странах, что подчеркивает отсутствие современной системы предупреждения о цунами в то время.
  • 9.0 — 2011 год Тохоку, Япония: Как уже было сказано, это вызвало широкомасштабные разрушения, смертоносное цунами и ядерный кризис.
  • 8.3 — 1923 Великий Канто, Япония:] В результате примерно 105 000 смертей, в основном вызванных пожарами после землетрясения в Токио и Иокогаме.
  • 7.0 - 2010 Гаити: хотя и умеренная по величине, это мелкое землетрясение вызвало катастрофический ущерб из-за плохого строительства и инфраструктуры, в результате чего, по оценкам, 160 000 смертей.

Эти события подчеркивают, что только магнитуда землетрясения не определяет уровень потерь или степень ущерба. Такие факторы, как глубина землетрясения, близость к населенным пунктам, строительные стандарты и готовность к чрезвычайным ситуациям, критически влияют на результаты.

Распространенные заблуждения о магнитуда землетрясения

В общественном сознании сохраняются несколько заблуждений относительно масштабов землетрясений. Уточнение этих факторов может помочь повысить осведомленность и готовность:

  • Заблуждение 1: «Шкала Рихтера поднимается до 10». На самом деле шкала открыта, без фиксированного верхнего предела.Теоретические максимальные величины ограничены геологическими факторами, такими как длина разлома и тектоническое напряжение, при этом самые большие возможные землетрясения оцениваются примерно в 9,5—9,6 баллов.
  • Заблуждение 2: «Шкала Рихтера измеряет ущерб от землетрясения». Повреждение лучше описывается Шкалой интенсивности Меркалли, которая измеряет интенсивность встряхивания и воздействие на структуры и людей с использованием римских цифр (I-XII).
  • Заблуждение 3: «Землетрясение магнитудой 7,0 в два раза мощнее, чем землетрясение 3,5».] Поскольку магнитуда логарифмическая, землетрясение магнитудой 7,0 высвобождает примерно в 1,4 миллиона раз больше энергии, чем 3,5, что намного превышает простое удвоение.
  • Заблуждение 4: «Послеудары всегда меньше, чем основной удар».] Некоторые подземные толчки могут быть почти такими же большими, как и первоначальное землетрясение, в зависимости от изменений напряжения вдоль разлома. Например, последовательность землетрясений в Крайстчерче в Новой Зеландии в 2010–2011 годах включала в себя подземный толчок магнитудой 6,3, который нанес больше ущерба, чем первоначальное событие 7,1 из-за его более близкой близости к городу.

Путь вперед: готовность и исследования

Понимание величин землетрясений имеет жизненно важное значение для общественной безопасности, планирования стихийных бедствий и инженерного проектирования. Современные строительные нормы включают оценки сейсмической опасности, основанные на ожидаемых максимальных величинах и движениях земли, чтобы уменьшить структурные повреждения и спасти жизни. Крупномасштабные исследования, такие как Единый прогноз землетрясений в Калифорнии (UCERF3) модель сейсмического риска для помощи страховщикам, политикам и аварийным службам.

Граждане могут получить доступ к большому количеству ресурсов, чтобы оставаться в курсе и подготовленными. Карты землетрясений в реальном времени, системы раннего предупреждения, такие как ShakeAlert в Соединенных Штатах, и руководства по готовности доступны через такие агентства, как USGS. Образовательные организации, такие как Инкорпорированные исследовательские институты сейсмологии (IRIS) , предлагают бесплатные инструменты и материалы, чтобы помочь общественности понять сейсмические опасности.

Будущие исследования направлены на улучшение прогнозирования землетрясений и раннего предупреждения с помощью плотных сенсорных сетей, алгоритмов машинного обучения и лучшего понимания явлений медленного скольжения и форшока. Хотя землетрясения не могут быть предотвращены, усовершенствованные методы измерения и государственное образование остаются мощными инструментами для смягчения их последствий.