ПРЕДВЕСТНИКИ
ЗЕМЛЯТРЕСЕНИЯ
Проект учеников 10 “B” класса:
Руководитель:
Землетрясения
Можно ли их предсказать?
Введение
Поверхность земли беспрерывно подвергается атаке глубинных сейсмических толчков. В течение года происходит свыше 100 тыс. землетрясений. Большинство толчков не ощущается людьми, а регистрируется высокочувствительными приборами - сейсмографами. Но ежегодно около 10 землетрясений достигает разрушительной силы, а единичные приобретают характер катастрофических. В среднем по статистике в мире от землетрясений погибает ежегодно около 10 тыс. человек.
Наиболее опасные землетрясения возникают из-за движения литосферных плит. Колебания от них в виде упругих - сейсмических волн передаются на огромные расстояния, а вблизи от очагов землетрясений они становятся причиной разрушения зданий и гибели людей. Землетрясения и связанные с ними явления изучает специальная наука – сейсмология.
Литосферный слой довольно тонок и покрывает Землю на толщину около 70 км под океаном и около 150 км на континентах. Этот твердый слой, однако, не цельный: он разбит на несколько больших кусков, называемых плитами. Под литосферой действуют силы, принуждающие плиты перемещаться со скоростью несколько сантиметров в год. Одна из причин этого движения может быть вызвана медленными течениями горячего пластического вещества в недрах. Течения возникают в результате тепловой конвенции в сочетании с динамическими эффектами вращения Земли. В некоторых областях новое вещество поднимается вверх, оттесняя плиты в сторону; в других местах проскальзывают краями одна вдоль другой и, наконец, есть области, где одна плита наталкивается на другую.
Ущерб, наносимый землетрясением, измеряется не только числом человеческих жертв. При катастрофических землетрясениях происходит изменение рельефа земной поверхности, образуются трещины, по которым происходит перемещение блоков земной коры, возникают новые возвышенности и провалы, изменяется направление течения рек, разрушаются почти все искусственные сооружения и постройки, создаются озера. Землетрясения могут стать причиной других стихийных бедствий, таких как штормы, тайфуны, цунами, горные обвалы и камнепады, оползни, сели, снежные лавины.
Примером можно считать землетрясением в Японии в 2011 году, которое привело к аварии на АЭС Фукусима-1.
Землетрясение обычно начинается в некоторой точке (гипоцентре) и затем распространяется в стороны от нее. Точка, находящаяся на поверхности земли точно над гипоцентром, называется эпицентром. Расстояние от поверхности земли до гипоцентра, называется глубиной очага.
При землетрясениях высвобождается большое количество энергии, для крупнейших из них сопоставимое с энергией ядерной и даже водородной бомб. Большая часть выделившейся энергии расходуется на разламывание и дробление пород, образование тепла. Небольшая часть энергии излучается во всех направлениях в окружающее пространство в виде сейсмических волн, которые распространяются в теле земли и, достигая ее поверхности порождают ощущаемое нами движение грунта (колебания почвы) и вызывают повреждения зданий и сооружений.
Эпицентр землетрясения — это центральная поверхностная точка очага землетрясения. Для определения местоположения эпицентра (эпицентральной области) используют записи сейсмических станций. И оценивают разрушения. Карты эпицентров с указанием магнитуды землетрясений используются в сейсмическом районировании.
Очаг землетрясения - это некоторый объем в толще Земли, в пределах которого происходит высвобождение энергии. Центр очага - условная точка
Глубина расположения очагов землетрясений находится в диапазоне от нескольких километров до многих сотен километров. Так, в Крыму очаги землетрясений располагаются на глубине от 10 до 40 км, а очаги землетрясений по берегам Тихого океана имеют глубокое расположение - до 700 км.
Исследования сейсмических волн не только устанавливают очаг землетрясений, но позволяют вести большую интересную работу по изучению строения Земли. Сигналы, приходящие из глубин Земли, позволяют судить и о ее строении. Дело в том, что скорость сейсмических волн на разных глубинах различна. Вблизи земной поверхности продольные волны имеют скорость порядка 10 км / сек, поперечные - 5 км / сек. В то же время в центре Земли скорость распространения сейсмических волн достигает 11 - 12 км / сек.
Предвестники землетрясений
Для предупреждения человеческих жертв очень важен прогноз землетрясений. Заинтересованность в прогнозе землетрясений исключительно велика - тысячи человеческих жизней могут быть спасены, если предсказание окажется точным, целые города могут быть эвакуированы зря, если оно окажется ложным. Из-за многих неопределенностей, связанных с землетрясением, удачное их предсказание бывает весьма редким. Тем не менее возможность точного предсказания времени, места и интенсивности землетрясений настолько заманчиво, что сегодня сотни ученых, в основном из США, Японии, Китая и нашей страны, заняты исследованиями по прогнозу землетрясений.
Предвестники землетрясений – это, изменяющиеся перед землетрясением характеристики Земли. С помощью многолетних наблюдений выявлены характерные предвестники землетрясений: сейсмичность, движение земной коры, опускание и поднятие участков земли, наклоны земной поверхности, деформация, уровень воды в колодцах и скважинах, скорость сейсмических волн, геомагнетизм, земное электричество, световые столбы, содержание радона в подземных водах, поведение животных.
Проблема предсказания землетрясений заключается в том, что по экспертным оценкам специалистов таких предвестников насчитывается более шестисот. Как проконтролировать 600 параметров, быстро расшифровать и не запутаться в них? Поистине одна проблема множит новые проблемы.
Сейчас я представлю одни из предвестников подробно
1)Выпадание заряженных частиц из космоса
Заряженные частицы
Альфа-частицы — это относительно тяжелые частицы, заряженные положительно, представляют собой ядра гелия.
Бета-частицы — обычные электроны.
Гамма-излучение — имеет ту же природу, что и видимый свет, однако гораздо большую проникающую способность.
Источником радиации может быть любой объект. В космосе главные источники радиации – это звезды, например, наше солнце.
Защита от радиации
Как ни странно защиту от радиации нас обеспечивает наша планета испускаемым магнитным полем.
Магнитное поле Земли – это область вокруг нашей планеты, где действуют магнитные силы. Вопрос о происхождении магнитного поля до сих пор окончательно не решен. Однако большинство исследователей сходятся в том, что наличием магнитного поля Земля хотя бы отчасти обязана своему ядру. Земное ядро состоит из твердой внутренней и жидкой наружной частей. Вращение Земли создает в жидком ядре постоянные течения. Движение электрических зарядов приводит к появлению вокруг них магнитного поля.
Так же нас защищает от радиации наша ионосфера, которая препятствует проникновению радиации.
Когда заряженные частицы подлетают к земле их “ловят” магнитные силовые линии и по этим линиям спускаются по спирали к полюсам, и застревают в ионосфере.
Впервые на возможность существования взаимосвязи между быстрыми вариациями (всплесками) потоков заряженных частиц высоких энергий в околоземном космическом пространстве с сейсмической активностью Земли было выдвинуто в 1985 году. Вывод базировался на основе анализа результатов наблюдения резких возрастаний потоков высокоэнергичных заряженных частиц в эксперименте "Мария", проводившемся на орбитальной станции "Салют - 7" в 1985 году.
Краткое описание аппаратуры:
Магнитные, времяпролетные, сцинтилляционные спектрометры "Мария" и "Мария - 2" [1 2] были установлены на орбитальных станциях "Салют - 7" и "Мир" (высота орбиты 350 - 420 км, наклонение 51 ° ). Детекторы позволяли регистрировать заряженные частицы: протоны, электроны и позитроны в диапазоне импульсов от 20 до 200 МэВ/с. Измерения проводятся с перерывами с 1985 г. по настоящее время.
Прибор "Электрон" был размещен на борту ИСЗ "Метеор - 3" (высота орбиты 1250 км, наклонение 82 ° ) и регистрировал с помощью набора сцинтилляционных и черенковского детекторов электроны с энергией более 30 МэВ. Измерения проводились в 1985 и 1986 гг.
Советско-французский гамма-телескоп " Гамма-1 " [14] был установлен на астрофизическом космическом модуле " Гамма " (высота орбиты 350 км, наклонение 51 ° ), и наряду с основной научной информацией о космическом гамма-излучении позволял на основе системы сцинтилляционных, времяпролетных и черенковских детекторов в сочетании с сцинтилляционным калориметром позволял регистрировать темпы счета заряженных частиц, в частности электроны с энергиями более 50 МэВ). Эти данные использовались для выделения и анализа всплесков. Измерения проводились с 1990 г. по 1992 г.
Полученные данные:
Анализ временных корреляций между всплесками частиц и отдельными землетрясениями проводился во всех экспериментах по одной методике. Для каждого всплеска частиц выбирались землетрясения из каталога землетрясений в интервале ± 12 часов относительно момента регистрации всплеска. Для каждого землетрясения из этого интервала определялась величина D Т=Тз-Тв (где Тз - время землетрясения, Тв - время регистрации всплеска). Далее строились временные распределения по величине D Т отдельно для каждого эксперимента. В качестве дополнительного параметра (величина которого могла варьироваться), использовавшегося при построении указанных временных распределений применялась разность D L=Lв-Lз (где Lв - L координата всплеска, Lз - L координата землетрясения).
На рис.1 приведены распределения временных интервалов D Т для экспериментов " Гамма-1 " и PET. Для сравнения на этом же рисунке представлены аналогичные распределения, полученные ранее в описанных в разделе 1 экспериментах " Мария-2 " и " Электрон " . Очевидно совпадение вида всех 4-х распределений, заключающееся в наличии четко выраженного максимума в интервале D Т=2-4 часа. Наличие этого максимума в распределении временных интервалов означает, что всплески частиц выступают как оперативные предвестники землетрясений.
Следует отметить значительное изменение степени выраженности максимума в распределении D Т (соотношения между величиной максимума и уровнем фона) для разных магнитуд землетрясений и значений параметра D L от очень резкого пика при М>5 и D L< ± 0.05 (рис.2) до полного отсутствия максимума (или, другими словами, до установления однородного распределения) при D L> ± 0.5. Наложение условия D L> ± 0.5 означает, что для всплеска частиц выбираются из каталога только землетрясения, имеющие L координаты не совпадающие с L координатой всплеска. Также полностью однородное распределение D Т было получено, если для каждого всплеска частиц проводить моделирование выборки землетрясений случайным образом, например, перемешав случайным образом даты землетрясений, то есть заведомо устранив наличие какой-либо корреляции.
Из этого следует:
а)Выпадение заряженных частиц означает временное ослабление магнитных силовых линий в магнитном поле земли
б)Совокупность представленных результатов по наблюдению сейсмо-магнитосферных корреляций в экспериментах " Гамма-1 " и SAMPEX подтверждает вывод о существовании взаимосвязи между всплесками высокоэнергичных заряженных частиц в магнитосфере Земли и сейсмическими событиями, сделанный в ранних работах по экспериментам " Мария-2 " и " Электрон " . Наблюдаемое новое сейсмо-магнитосферное явление может представлять интерес с точки зрения прогноза землетрясений.
2)Изменение концентрации гелия
Сущность: из зоны пересечения глубинных разломов на территории озера Байкал, где неоднократно происходили землетрясения различной силы, отбирают пробы воды. Отбор проб осуществляют посредством водозабора, включающего в себя глубинный водоприемник (8), электронасос (9), расположенный в водозаборной станции на берегу Байкала, фильтры для грубой (10) и тонкой (11) очистки воды. Исследуют концентрации растворенного в глубинной воде гелия. По графикам изменения концентраций гелия делают вывод о возможном землетрясении. Технический результат: выявление возможности наступления землетрясения.
Давно замечено, что перед сильными землетрясениями изменяется химический состав подземных вод. Впервые это было обнаружено группой ученых в составе , , и др. в 1966 г. перед Ташкентским землетрясением. Тогда накануне сильного землетрясения и в момент самой катастрофы было установлено, что в подземных водах, территориально связанных с эпицентральной зоной, возрастает концентрация содержащихся в них инертных газов гелия, радона и аргона, соединений фтора, урана и изменяется их изотопный состав. Отмеченное явление было внесено в Государственный реестр открытий СССР 21 февраля 1966.
В последующее время , , и др. была открыта закономерная зависимость между глубинными разломами земной коры и повышенными концентрациями в них гелия, причем максимумы концентраций наблюдаются в местах пересечения этих разломов. Отмеченная зависимость, по мнению авторов, может стать важным дополнительным средством для изучения «пульса Земли», особенно предвестников землетрясений. Открытие зарегистрировано 30 декабря 1968 г.
С целью прогноза времени возникновения землетрясения предложено в местах разрыва сплошности горных пород периодически измерять в газообразной и жидкой фазах концентрацию гелия, радона, торона, водорода, углекислого газа, образующихся при радиоактивном распаде и при радиохимических процессах. По резкому увеличению градиента концентрации за счет выделения этих газов из микропор горных пород под действием напряжений, возникающих перед землетрясением, определять время начала землетрясения. Открытие зарегистрировано 26 июля 1967 г.
Наблюдения за содержанием гелия проводились с января 2007 г. по ноябрь 2008 г. На график изменения содержаний гелия выносились ежедневные их значения (Рис.3). Было отмечено, что за эти два года периоды с февраля по апрель характеризовались резкими скачками как в сторону увеличения, так и уменьшения содержаний гелия, хотя значительных сейсмических событий в южной части Байкала за этот период не происходило. Эти изменения, по-видимому, были вызваны сезонными причинами.
На рисунке 3 показан график изменения содержания гелия в глубинной воде Байкала за период 2007-2008 гг., где 13 - ежедневные значения содержания гелия, 14 - осредненная по двадцать дней кривая с ежесуточным сдвигом.
По результатам двухгодичного исследования было получено 554 значения содержания гелия, для которых были рассчитаны среднее значение содержаний гелия и их среднеквадратичное отклонение. Среднее значение (5,96·10-5 мл/л) оказалось несколько выше глобального фонового содержания гелия равного 5,2·10-5 мл/л для пресных вод, контактирующих с атмосферой, а среднеквадратичное отклонение (способ краткосрочного прогноза землетрясений, патент № 000 ) составило 0,64.
27 августа 2008 года в 10 час 35 мин местного времени (в 01 час 35 мин по Гринвичу) на юге Байкала произошло сильное землетрясение. Магнитуда землетрясения составляла 6,2 (К=15,2), глубина очага 16 км, интенсивность сейсмических сотрясений в эпицентре достигала 8 баллов. Максимальные сейсмические сотрясения силой в 7-8 баллов отмечались в пос. Култук, расположенном на побережье Байкала, почему и землетрясение получило название Култукского. Интенсивность в некоторых населенных пунктах, расположенных в радиусе 80 км от эпицентра, достигала 6-7 баллов.
Сущность изобретения: из глубинной воды Байкала отбираются пробы для изучения. По результатам исследования содержания в воде растворенного гелия строятся графики изменений его концентраций. Одновременно ведутся наблюдения за изменением сейсмичности. Изменение концентраций содержаний гелия в глубинной воде Байкала перед сейсмическими толчками позволяет предсказывать приближение землетрясений.
Способ краткосрочного предсказания землетрясений, основанный на исследовании концентраций растворенного гелия в глубинной воде Байкала, отличающийся тем, что изучение ведется в зоне пересечения глубинных разломов, с которыми неоднократно происходили и происходят как слабые, так и сильные землетрясения и по которым из недр земли в воды Байкала постоянно поступает гелий.
3)Распад Радона
Развитие сейсмического процесса сопровождается эманацией радона в сейсмоопасной области. Поскольку радон имеет плотность 9,81 г/литр (т. е. на порядок больше плотности воздуха), то выделение радона в виде «стелющегося тумана» приурочено в основном к очаговой зоне. Эманация радона в атмосферу воздуха накануне Ташкентского (1980 г.) землетрясения иллюстрируется графиком фиг.1 Последующий распад радона (период полураспада 3,82 суток) сопровождается увеличением радиационного фона над сейсмоактивной областью.
Для увеличения скорости деления радона и увеличения интервала времени упреждающего прогноза используют активное зондирование его пучком элементарных частиц. Метод активного зондирования характеризуется чувствительностью, под которой понимают минимальную массу делящегося вещества (десятки грамм), дающего мгновенный отклик (реакцию вещества на облучение), который может быть измерен детектором при приеме. Концентрация радона, создающего «купол» электростатического поля из ионизированных газов напряженностью несколько кВ/м (фиг.2) составляет порядка 10-2 г/м3. При отражающей поверхности зондирующего луча на дальностях до 2-х км (100*100) м2 масса облучаемого радона составит сотни (г), что превышает чувствительность существующих детекторов гамма-нейтронного излучения.
Воздействие пучка элементарных частиц на радон вызывает ускоренную реакцию ядерных превращений:
86Rn222 +0n1
84Ро210+
86Rn222+1 H1
84Ро220+
Заявленный способ может быть реализован по схеме фиг.7. Функциональная схема устройства, реализующего способ, содержит подвижный носитель 1, осуществляющий патрулирование сейсмоопасной зоны, с размещенными на нем трактом зондирования 2 и приемным трактом 3, установленными соосно на подвижной сканирующей платформе 4. Тракт зондирования 2 содержит модулятор 5, источник элементарных частиц 6, коллиматор пучка 7. Приемный тракт 3 содержит детектор-дискриминатор гамма-нейтронного излучения 8, пороговое устройство 9, усилитель заряда 10, пиковый детектор 11, аналогово-цифровой преобразователь 12, буферное запоминающее устройство 13. Синхронизацию работы трактов зондирования и приема осуществляет программируемая схема выборки измерений 14, в которую пересылается программа зондирования, управляющая работой модулятора 5, и программа обработки сигнала, управляющая работой элементов 9, 12, 13.
В кратце:
Способ краткосрочного прогноза землетрясений, включающий измерение радиационного фона атмосферы над зоной подготавливаемого землетрясения, отслеживание динамики изменения сигнала предвестника на интервале его существования, прогноз характеристик сейсмического удара по параметрам регистрируемого сигнала, отличающийся тем, что для увеличения скорости деления радона используют активное зондирование атмосферы коллимированным пучком элементарных частиц с подвижного носителя, работающего в режиме сканирующего обзора и патрулирования контролируемой зоны, синхронизируют тракты зондирования и приема путем введения порогового напряжения в тракт приема, осуществляют временную и энергетическую селекцию частиц мгновенной реакции радона на пучок зондирования.
Вывод
Существуют множество предвестников землетрясений. Проблема в том, что этих предвестников очень много и по одному предвестнику невозможно точно описать надвигающееся землетрясение. Практически невозможно, так же, следить за множеством предвестников землетрясений, а если бы и было возможно, то обработка большого количества информации заняла огромное количество времени, а времени не так уж и много.
