Τα νέα μαθηματικά των σεισμών προβλέπουν πόσο καταστροφικοί θα είναι

Όταν ένα ρήγμα γλιστρά, εξαπολύει έναν χείμαρρο από σεισμικά κύματα, όχι όλα το ίδιο. Τα μεγάλα κύματα χαμηλής συχνότητας μπορούν να ταξιδέψουν μακριά από την πηγή τους και να προκαλέσουν ταλάντωση ψηλών κατασκευών όπως οι ουρανοξύστες, ενώ τα κύματα υψηλής συχνότητας είναι εξαιρετικά στο να τρέμουν σπίτια και γέφυρες και να τα μετατρέπουν σε ερείπια. Για μεγάλο μέρος του τελευταίου μισού αιώνα, οι σεισμολόγοι υπέθεσαν ότι η ολίσθηση τριβής ενός ρήγματος δημιουργεί ολόκληρη αυτή τη σεισμική σουίτα.

Τώρα ένα ζευγάρι γεωεπιστημόνων από το Πανεπιστήμιο Μπράουν έχουν επινοήσει τη δική τους ιστορία προέλευσης. Χρησιμοποιώντας μαθηματικά μοντέλα εμπνευσμένα από κατολισθήσεις και χιονοστιβάδες, οι ερευνητές υποστηρίζουν ότι αυτά τα καταστροφικά κύματα υψηλής συχνότητας προκαλούνται όχι από την ίδια την ολίσθηση, αλλά από γεωλογικά παιχνίδια φλίπερ που λαμβάνουν χώρα μέσα στο ρήγμα.

«Αυτό που έχουν κάνει εδώ είναι αρκετά προσεγμένο», είπε η Ελίζαμπεθ Κόχραν, σεισμολόγος στο Γεωλογικό Ινστιτούτο των ΗΠΑ. "Σίγουρα δεν θα σκεφτόμουν να αντιπροσωπεύσω ένα σφάλμα με τον τρόπο που έχουν."

Το νέο μοντέλο, που δημοσιεύτηκε τον περασμένο μήνα στο Geophysical Research Letters , πρέπει ακόμα να δοκιμαστεί σε μελλοντικούς σεισμούς, για να δούμε αν προβλέπει με ακρίβεια τις ιδιότητές τους. Αλλά εάν επιβεβαιωθεί, θα ανατρέψει την κατανόησή μας για την ικανότητα καταστροφής των σεισμών και ίσως να σώσει ζωές στη διαδικασία.

Γεωλογικό φλίπερ

Σύμφωνα με τα παραδοσιακά μοντέλα σεισμών, όταν ένα κομμάτι γης γλιστράει και αλέθεται πάνω σε ένα άλλο, η τριβή μεταξύ των δύο δημιουργεί σεισμικά κύματα. Οι σεισμολόγοι αναγνωρίζουν ότι αυτά τα μοντέλα είναι απλοποιημένες εκδοχές του τι πραγματικά συμβαίνει σε κάθε μοναδική γραμμή ρήγματος. Αλλά καταγράφουν με ακρίβεια τη συνιστώσα χαμηλής συχνότητας της σεισμικής σουίτας ενός σεισμού - μια κρίσιμη πρώιμη ένδειξη του μεγέθους του σεισμού, μια ζωτικής σημασίας πληροφορία.

Αλλά τα παραδοσιακά μοντέλα δεν εξηγούν πλήρως την ποσότητα των κυμάτων υψηλής συχνότητας που δημιουργεί ένας σεισμός, είπε η Lucile Bruhat, ειδικός στη φυσική των σεισμών στην École Normale Supérieure στο Παρίσι, η οποία δεν ασχολήθηκε με την εργασία. Η ανεπάρκεια είναι ένα πρόβλημα εάν ελπίζετε να καταλάβετε γιατί ορισμένες ρήξεις αποδεικνύονται πιο καταστροφικές από άλλες.

Σύμφωνα με τον Cochran, τα παραδοσιακά μοντέλα συνδέουν αυτά τα κύματα υψηλής συχνότητας με την τραχύτητα του ρήγματος - την ακανόνιστη κίνηση διακοπής-εκκίνησης της ρήξης του ρήγματος. Αλλά επειδή η φυσική της διαδικασίας ρήγματος είναι τόσο δύσκολο να μελετηθεί, είναι δύσκολο να επικυρωθούν τέτοιες υποθέσεις. «Δεν μπορείς να βάλεις έναν σεισμό σε ένα εργαστήριο», είπε ο Ρόμπερτ Γκρέιβς, γεωφυσικός στο Γεωλογικό Ινστιτούτο των ΗΠΑ που δεν ασχολήθηκε με το έργο.

Για να αποκτήσουν μια πιο ακριβή εικόνα για αυτά τα κύματα, ο Victor Tsai και ο Greg Hirth, δύο γεωεπιστήμονες στο Πανεπιστήμιο Brown, εξέτασαν τα μαθηματικά των ροών συντριμμιών, όπου βράχοι διαφόρων μεγεθών συγκρούονται τακτικά μεταξύ τους. Στη συνέχεια το εφάρμοσαν σε ρήγματα. Δεν υπάρχει πολύς χώρος στις ζώνες σφαλμάτων, επομένως είναι σαν «ένα στενό φλιπεράκι», είπε ο Τσάι. Τα «φλίπερ» είναι βράχοι που ποικίλλουν σε μέγεθος από λίγα μόλις πόδια σε μήκος έως το μέγεθος των γηπέδων ποδοσφαίρου.

Όταν ο Tsai και ο Hirth πρόσθεσαν αυτό το πανδαιμόνιο φλίπερ στα παραδοσιακά μοντέλα, ο συνδυασμός περιέγραψε τόσο τα κύματα χαμηλής συχνότητας όσο και τα αντίστοιχα κύματα υψηλής συχνότητας.

Ο μηχανισμός φλίπερ είναι από ορισμένες απόψεις μια επέκταση της παραδοσιακής υπόθεσης ότι τα χτυπήματα και τα εξογκώματα στα τοιχώματα του ρήγματος είναι υπεύθυνα για τα κύματα υψηλής συχνότητας. Αλλά ο Tsai και ο Hirth έχουν τρέξει με την ιδέα, αναπτύσσοντας αυτόν τον συγκεκριμένο μηχανισμό φλίπερ και εξερευνώντας τα ακριβή μαθηματικά πίσω από αυτό. Ανύψωσαν μια υπόθεση σε κάτι απτό και ελεγχόμενο. «Δεν προσπαθούν απλώς να κάνουν λαμπερή επιστήμη», είπε ο Bruhat. "Πραγματικά προσπαθούν να δοκιμάσουν μια φυσική ιδέα και να δουν πώς λειτουργεί, κάτι που είναι πραγματικά προσεγμένο."

Βράχοι και σκληρά μέρη

Αυτό το νέο μοντέλο θα μπορούσε να βοηθήσει στην επίλυση ορισμένων μακροχρόνιων σεισμολογικών γρίφων. Για παράδειγμα, το 1999, η Ταϊβάν υπέστη φονικό σεισμό 7,7 Ρίχτερ. Στους μετασεισμούς που ακολούθησαν, τα ίδια τμήματα ρηγμάτων έσπασαν επανειλημμένα και το έδαφος κινούνταν με τον ίδιο τρόπο κάθε φορά. Ωστόσο, περιέργως, τα μεγέθη των μετασεισμών διέφεραν από σεισμό σε σεισμό.

Το παραδοσιακό μοντέλο δεν μπορεί να προσφέρει μια ικανοποιητική εξήγηση. Αλλά σύμφωνα με το νέο μοντέλο φλίπερ, όλοι αυτοί οι μετασεισμοί είχαν φλίπερ ίδιου μεγέθους που χτυπούσαν στο ίδιο σημείο μέσα στη ρήξη, με αποτέλεσμα το έδαφος να κινείται με τον ίδιο τρόπο κάθε φορά. Ωστόσο, ορισμένοι μετασεισμοί πιθανότατα αφορούσαν περισσότερες συγκρούσεις και επομένως είχαν μεγαλύτερα μεγέθη.

Το νέο μοντέλο μπορεί επίσης να εξηγήσει γιατί οι σεισμοί σε ώριμα ρήγματα - παλαιότεροι που έχουν γλιστρήσει πολλές φορές - τείνουν να προκαλούν λιγότερες ζημιές από τους σεισμούς ίσου μεγέθους σε ανώριμα ρήγματα. Οι πρώτοι, με μακρά ιστορία σεισμών, έχουν κατεβάσει επανειλημμένα τα εσωτερικά τους συντρίμμια, επιτρέποντας λιγότερες συγκρούσεις και παράγοντας ασθενέστερα κύματα υψηλής συχνότητας.

Εάν το μοντέλο επικυρωθεί, είπε ο Γκρέιβς, υποδηλώνει ότι οι επιστήμονες μπορούν να μελετήσουν προσεκτικά μια ζώνη ρήγματος και να χρησιμοποιήσουν τη γεωμετρία της για να προβλέψουν ποια μπορεί να είναι η καταστροφική συνιστώσα των κυμάτων υψηλής συχνότητας ενός μελλοντικού σεισμού. Οι γνώσεις μπορούν επίσης να λειτουργήσουν αντίστροφα:Εάν το μοντέλο δίνει έναν πιο ακριβή χαρακτηρισμό της συνιστώσας υψηλής συχνότητας ενός σεισμού, οι επιστήμονες θα πρέπει να είναι σε θέση να προσδιορίσουν με μεγαλύτερη ακρίβεια τις γεωμετρικές ιδιότητες του ρήγματος που ευθύνεται για τον σεισμό, είπε ο Bruhat. /P>

Πολλοί περισσότεροι από αυτούς τους καταρράκτες σεισμών τύπου Ταϊβάν - καθώς και σεισμοί τόσο σε ώριμα όσο και σε ανώριμα ρήγματα - θα χρειαστούν για την αξιολόγηση των σχετικών δυνάμεων των παλαιών και νέων μοντέλων. Οι σεισμολόγοι θα θέλουν να δουν ποιος χαρακτηρίζει καλύτερα αυτό που παρατηρούν στην επιφάνεια.

Αλλά το νέο μοντέλο «είναι σίγουρα ενδιαφέρον», είπε ο Graves. "Νομίζω ότι είναι εύλογο και αξίζει περισσότερες δοκιμές."

«Θα είμαι ο πρώτος που θα πει ότι δεν υπάρχει ακόμη απόδειξη ότι αυτό το μοντέλο είναι σίγουρα το σωστό και ότι το παραδοσιακό μοντέλο είναι σίγουρα το λάθος», είπε ο Τσάι. Αλλά αν οι νέες ιδέες αποδειχθούν ανώτερες, θα ωθήσουν τους σεισμολόγους σε «πολλές σκέψεις για το αν καταλαβαίνουμε τα πράγματα ή όχι».