Как Земята се разкъсва: Историята зад земетресенията и скалата на Рихтер

Земетресенията са едни от най-мощните и непредсказуеми сили на природата — миг, в който натрупаното напрежение в дълбините на Земята се освобождава с разрушителна енергия. Въпреки че не можем да ги спрем, разбирането на това как възникват, как се измерва силата им и защо едно число може да означава катастрофа, ни дава ключ към по-безопасно бъдеще. От историческата скала на Рихтер до съвременния моментен магнитуд, науката непрекъснато разкрива тайните на планетата под нашите крака.

Рихтер – кой е той

Чарлз Франсис Рихтер (Charles F. Richter) е американски физик и сеизмолог, роден през 1900 г. и починал през 1985 г. 

Той работи в Seismological Laboratory на California Institute of Technology (Caltech) и именно там, заедно с другия учен Бено Гутенберг, разработва скалата за измерване на земетресения. 

Интересно е, че Рихтер първоначално не нарича своя инструмент „скала Рихтер“ – той го описва просто като „magnitude scale“ (скала за магнитуд), но името „Рихтер“ се наложило по-късно.

Как се стига до скалата на Рихтер

Преди Рихтер не е имало обективен начин за количествено измерване на „силата“ на земетресение – съществували са скали като Меркали, базирани на наблюдения на щети, вибрации на сгради и усещанията на хората. 

Рихтер и Гутенберг решават да използват инструментални данни – амплитудата на сеизмичните вълни, записани от сеизмограф. Гутенберг предлага идеята за логаритмична скала, което позволява значително по-широк диапазон от стойности и прави скалата много по-практична. 

Рихтер избира дума „magnitude“ („магнитуд“) под влияние на астрономията: в астрономията „магнитуд“ описва яркостта на звездите. 

Началната точка (нулевата магнитуда) е дефинирана като амплитуда от 1 микро­метър (1 μm), измерена на 100 км от епицентъра на земетресението с конкретен тип сеизмометър (Wood–Anderson torsion seismometer). 

Поради логаритмичната природа на скалата, всеки ръст с 1 единица означава 10-кратно увеличение в амплитудата на вълната, а приблизително ~31 пъти повече енергия, която се освобождава.

Защо името „Рихтер“ остава

Въпреки че Гутенберг също е допринесъл значително, общественото признание главно се свързва с Рихтер. 

Приживе Рихтер настоявал името да бъде и на двамата, но Гутенберг предпочитал да остане в сянка и не търсел публично признание.  В медиите и в широката публика скалата е почти изцяло позната като „скалата на Рихтер“, което остава така и до днес.

Ограничения и развитие

Първоначалната версия на скалата на Рихтер е оптимизирана за умерени земетресения (приблизително между магнитуд 3 и магнитуд 7), записани с определен тип сеизмограф. 

За много силни земетресения (обикновено над около магнитуд 6.5) скалата на Рихтер започва да става неточна, защото „насища“ – тя подценява енергията, освободена при много мощни трусове. 

По-късно се разработват и по-модерни мащаби — например моментна магнитуда, които дават по-точна оценка за енергията на земетресенията.

Как се измерват земетресенията днес

Съвременната сеизмология използва глобални мрежи от хиляди цифрови сеизмометри. Когато настъпи земетресение, сеизмографите измерват:

Амплитудата на сеизмичните вълни

→ Различните видове вълни (P, S, повърхностни)

→ Времето на пристигане на вълните до различни станции

→ Честотните характеристики на сигнала

Тези данни се обработват автоматично и от специалисти, за да се изчислят:

→ Епицентър

→ Дълбочина

→ Моментен магнитуд (Mw) – стандартът днес

→ Механизъм на огнището (вида на разлома)

Каква скала се използва най-често днес?
✔ Стандартът е Моментна магнитудна скала (Mw)

Това е скалата, която замени класическата скала на Рихтер за почти всички професионални и научни цели.

Причини да се използва Mw вместо Рихтер: Не „насища“ при силни земетресения (Рихтер става неточна над ~6.5). Позволява точна оценка на общата енергия, освободена в разлома. Работи добре за всички типове земетресения, включително много дълбоки и много големи.

Международно призната — използва се от USGS, EMSC, японската JMA, всички големи сеизмологични центрове.

Моментният магнитуд се базира на: площта на разкъсване, средното приплъзване (колко се е преместила земната кора), якостта на скалите.

Скалата пак е логаритмична — разлика от 1 единица означава ~31.6 пъти повече енергия.

Използва ли се още скалата нa Рихтер?

В научната практика – почти не. В медиите и популярните новини – да, често се използва като разговорен термин, макар данните в действителност да идват от Mw.

А какво се използва за измерване на щетите?

Има отделна скала за интензивност, различна от магнитуда:

● Модифицираната скала на Меркали (MMI)

Тя описва как земетресението се усеща и какви щети причинява.
● II – едва доловимо; VIII – сериозни щети; XI–XII – катастрофални щети.

Използва се за доклади след земетресения, защото магнитудът не показва щети, а само енергия.

Сравнение: Рихтер (ML) vs. Моментна магнитудна скала (Mw)

✔ Скала на Рихтер 

Разработена през 1935 г. от Рихтер и Гутенберг. Измерва амплитудата на сеизмичните вълни, записани от конкретен тип сеизмограф (Wood–Anderson). Добра за умерени земетресения (магнитуд 3–6.5).

Проблем: При силни земетресения „насища“ — не може да различи например 7.0 от 8.0 достатъчно точно. Локална скала — най-точна за региона, за който е разработена (Южна Калифорния).

✔ Моментна магнитудна скала (Mw)

► Въведена през 70-те години.

► Измерва сеизмичния момент: площ на разлома × приплъзване × якост на скалата.

► Много по-точна за големи, дълбоки и различни типове земетресения.

► Универсална — работи навсякъде по света.

Днес е стандартът за научни и международни сеизмологични доклади.

Рихтер е историческа и популярна; Mw е съвременната, точна физична мярка.

Как работи логаритмичната скала

И двете скали (ML и Mw) са логаритмични, което означава:

►  Разлика от +1 магнитуд означава:

10 пъти по-голяма амплитуда на сеизмичните вълни.

~31.6 пъти повече енергия, освободена при земетресението.

Пример:

Магнитуд 5.0 освобождава ~31 пъти повече енергия от 4.0.

Магнитуд 7.0 освобождава 1000 пъти повече енергия от 5.0, защото:

7 → 6 → 5 = две стъпки → 31.6 × 31.6 ≈ 1000.

Това е причината да се казва, че разликите в магнитуда са „огромни“ — всяка единица е стъпка нагоре по експонента.

Примери за големи земетресения и техните магнитуди (Mw)

►  9.1 – 9.3 - Тохоку, Япония (2011) — причини цунами и аварията във Фукушима.

►  9.1 - Индийски океан (2004) — едно от най-смъртоносните цунами в историята.

► 8.8 - Чили (2010) — едно от най-силните регистрирани в XXI век.

► 8.6 – 8.8 - Аляска, Голямото алеутско земетресение (1964).

►  9.5 - Валдивия, Чили (1960) — най-силното земетресение в историята, измерено с Mw.

► 7.8 – 8.2 - Катманду, Непал (2015) — масови разрушения, много жертви.

►  7.0 – 7.2 - Хаити (2010) — тежко засегната инфраструктура, висок брой жертви.

Какво предизвиква земетресенията?

Земетресенията се причиняват от внезапно освобождаване на натрупано напрежение в земната кора. Това е основният механизъм, но има и допълнителни, по-редки причини. 

Снимки: iStock

🔹 1) Тектонски земетресения (най-честите)

Земната кора е изградена от големи плочи – тектонски плочи, които постоянно се движат. Когато тези плочи се блъскат, разтягат или приплъзват една покрай друга, по разломите между тях се натрупва напрежение. Ако скалите вече не издържат на стреса, напрежението се освобождава рязко и се получава земетресение. Това е основният и най-често срещан тип земетресения на Земята.

🔹 2) Земетресения при субдукция

Те се случват там, където една тектонска плоча се „гмурка“ под друга. Това създава огромни сили на триене и огъване, които могат да предизвикат разрушителни трусове и цунами. Най-силните земетресения в историята произхождат от зони на субдукция.

🔹 3) Вулканични земетресения

Около активни вулкани често се случват дребни или умерени земетресения. Те се причиняват от движението на магма, газове и промени в налягането под вулкана. Тези трусове понякога предупреждават за предстоящо изригване.

🔹 4) Тектонични напрежения във вътрешността на плочите (интраплатови)

Понякога земетресения стават далеч от границите между плочите – например в Европа или в централната част на САЩ. Те се причиняват от натрупано напрежение във вътрешността на плочата и също могат да са силни, макар и по-редки.

🔹 5) Индуцирани (предизвикани от човека) земетресения

Човешката дейност също може да предизвика трусове: запълване на големи язовири (т.нар. „резервоарно-индуцирани земетресения“), добив на нефт и газ, фракинг, минни експлозии, изпомпване и инжектиране на течности в земята.

Обикновено са по-слаби, но понякога могат да достигнат умерена сила.

🔹 6) Свлачищни или срутвания

Някои много малки земетресения се причиняват от рухване на подземни кухини, големи свлачища или колапс на карстови системи.

Земетресенията са резултат от внезапно раздвижване на земната кора. Най-честата причина са движенията на тектонските плочи, но вулкани, човешка дейност и локални геоложки процеси също могат да ги причинят.