Землетрясение в Японии глазами физика

О научных причинах землетрясения в Японии рассуждает Андрей Борисович Ефимов – профессор, доктор физико-математических наук, заместитель декана миссионерского факультета ПСТГУ.

И сделалось великое землетрясение, какого не было с тех пор,
как люди на земле. Такое землетрясение! Так великое!
Откр. 16,18

Как произошло землетрясение в Японии и почему так много жертв?

В среднем каждые 50 лет в Тихом океане рядом с Японией происходит сильное землетрясение. Начинается оно так. На расстоянии нескольких сот километров от берега происходят большие вертикальные и горизонтальные сдвиги земной коры. Дно океана поднимается на высоту порядка метра, а длинна этой трещины – сотни километров (чем выше эти цифры, тем сильнее землетрясение).

Вертикальная составляющая подъема дна океана вызывает подъем пяти-шести километровой толщи воды, которая затем начинает растекаться с образовавшейся гряды как с горки. Волна, которая появляется при растечении поднятой воды, уходит во все стороны вокруг и доходит до Гавайев, до Камчатки, но быстрее всего, естественно, до Японии. На глубине, в открытом море волны не видно, но, подходя к пологому берегу океана, она увеличивается.

Если обычная волна поднимается на 2 метра и этот гребешок шлепается на прибрежный песок, то волна цунами превращается в 10-ти метровую стену в высоту, в сотни километров в длину и идет со скоростью электрички на несколько километров вглубь материка. Когда цунами расходует всю энергию, то вода откатывается в океан, унося за собой все на своем пути.

Если же на пути волны встречается узкий залив, то течения в нем аккумулируются как в воронке и волна может достигать 20-ти метров в высоту – с 6-ти этажный дом. В Японии дома строят хорошо, и от толчков земли разрушается относительно мало домов. Основные разрушение происходят от волн цунами, которые могут унести не только людей, автомобили, но и шестиэтажные дома.

Спутниковый снимок NASA. 11 марта 2011 года

Что произошло в этот раз? Японцы готовились к землетрясению. Но готовиться это одно, а пережить землетрясение – это другое. За несколько дней до землетрясения было объявлено предупреждение.

Землетрясение состоит из серии толков: самый сильный толчок земли, а также его сопровождающие – до этого – форшоки и после – афтершоки. Когда начались толчки, то жители вышли из домов. Когда же прошел первый толчок, то японцы приняли его за основное землетрясение и успокоились. А это был форшок, после которого начались основные толчки, которые и повлекли жертвы. Потом пришло цунами, в зону поражения которого попали люди, не успевшие скрыться. В данном случае счет жертв должен идти на десятки тысяч человек, несмотря на заверения японского правительства о небольшом количестве человеческих жертв.

Можно ли предупредить появление землетрясений и уменьшить жертвы?

Ежегодно в зону действия землетрясения и поражения волнами цунами в разных концах земли попадает около миллиона человек. Во всех странах, расположенных вокруг Тихого океана, создана система оповещения о землетрясениях. Когда появляется волна цунами, то за несколько часов до ее появления на берегу можно предупредить людей. Корабли должны уйти в открытое море – цунами их не повреждает. На суше единственный способ спастись – уйти подальше от берега.

У всех жителей побережья есть инструкции, как действовать в случае цунами. Такие инструкции работают, только если есть система предупреждения. (Я помню случай в СССР в 1970-е годы, когда на Камчатке стояла военная часть, наблюдавшая за воздушным пространством. Им дали инструкции – «в случае чего бегите на сопочку рядом с берегом». Но когда началось цунами, ни один из трехсот человек не смог убежать, всех смыло в океан). В Америку цунами, принесшее трагедию Японии, уже пришло, но там хорошо поняли урок Японии, и я не слышал, чтобы у них были жертвы.

Как прогнозировать землетрясения?

Что сделать, чтобы не гибли люди? Как обезопасить атомные станции, бактериологические, химические предприятия, чтобы это все не было разрушено и люди не подверглись опасности? Научиться предсказывать землетрясения – это важная проблема науки.

Предсказания бывают долгосрочные, когда за несколько лет можно предсказать, что в таком-то районе произойдет землетрясение, и краткосрочные. Японцы полвека изучают землетрясения, и очень хорошо работают как эмпирики: ставят датчики, собирают информацию, но теоретических обобщений они до сих пор сделать не смогли.

В Китае для предсказаний используют наблюдения за птицами и змеями, которые выползают из нор, чтобы их не раздавило, когда начнутся толчки. Это дает результаты, но недостаточные, с помощью таких методов нельзя предсказать землетрясение больше, чем за несколько часов и локализовать его, сказать, что в таком-то месте будет землетрясение.

Для того чтобы решить эту задачу, нужна научная модель того, как происходит землетрясение. Чтобы это понять, надо понять, как происходит движение земной коры. Литосфера, верхняя оболочка земли, состоит из разных слоев и имеет толщину около 30-50 км, а под ней есть мягкий слой, по которому эта оболочка может «скользить». Представление о том, как происходит движение литосферных плит, зависит от того, какую модель движения плит принять.

«Теория новой глобальной тектоники» не подтверждается научными данными

Есть теория жестких литосферных плит, или «теория новой глобальной тектоники», которая была предложена в 1920-х годах немцем ученым Вегенром. Суть ее сводится к тому, что дно океана состоит из жестких плит, которые рождаются в Атлантическом океане, в нескольких зонах Тихого океана, в других океанах, которые затем расходятся и уходят под континенты. Теория многократно повторялась в научном мире в 1950-х годах, и, наконец, была принята Америкой. Американские ученые объявили эту теорию важнейшим достижением науки в ХХ веке, наряду с высадкой американцев на Луну.

Исходя из этой модели, европейские, американские и японские ученые после Второй Мировой войны постоянно вели наблюдения за событиями мелкой и крупной сейсмичности, за тем, как происходят движения коры. В результате наблюдений появились карты литосферы. Десятки институтов сегодня ведут наблюдения за движениями земной коры, за событиями мелкой и крупной сейсмичности, (маленькие сейсмические события происходят постоянно. Даже литосферная плита под Москвой постоянно трещит, но не сильно).

Но все-таки, эта теория не работает, не получается наполнить «виртуальную» картинку реальным физическим смыслом, физическими свойствами материалов, напряжениями, деформациями, которые в ней могут быть. До сих пор не получилась замкнутая непротиворечивая модель литосферы.

Эта теория, как оказалось, была создана для того, чтобы провести международное законодательство об освоении океана, суть которого, в свою очередь, сводилась к тому, что полезные ископаемые, находящиеся на дне океана должны принадлежать не государству, в чьих территориальных водах находится это дно, а должны быть «общим», то есть принадлежать сильному. Современное международное законодательство об освоении дна мирового океана основывается на данной научной теории возникновения землетрясений следующим образом.

Так как землетрясения зависят от движения дна океана, а дно океана, по этой теории, уходит под континент, то есть оно не постоянное, а все время движется, то никакому государству оно принадлежать не может. Это была главная цель научных исследований американцев, а предсказание землетрясений около Калифорнии или еще где-то – вторичная цель. Эта теория распространилась по всему миру и задавила все альтернативные теории. Часть мирового научного сообщества, к сожалению, интересует не реальность, а деньги. (В советско-американских научных проектах с самого начала участвовал известный ученый С.Л. Кузинцев (во время войны он был летчиком, потом стал геофизиком). Он мне объяснил истинные причины принятия этой модели).

Теория мягких литосферных плит

Российской наукой была начата разработка альтернативной теории, но она не была поддержана, потому что оказалась никому не нужна. В России были и есть хорошие институты (в Москве, Владивостоке, Хабаровске), занимающиеся предсказанием землетрясений под эгидой института Физики земли им. Шмидта Академии наук. У нас в стране была сеть наблюдательных сейсмических станций. В конце ХХ века была положена основа новой теории литосферы: «Теория мягких литосферных плит».

Если предположить, что плиты, из которых состоит земная кора не жесткие, а мягкие, то это влечет за собой абсолютно другие расчеты и интерпретацию экспериментальных данных, но зато это гораздо лучше соответствует законам физики. Была разработана программа исследования для подтверждения теории фактами на основе эмпирических данных. Одно дело написать программу, другое дело – финансировать реализацию программы. Денег, как бывает с наукой, не нашлось. Сегодня можно было бы продолжить эту работу, если её будет финансировать государство. Интересно, что в советское время на эти исследования было выделено менее миллиона долларов (в пересчете на рубли), а в Америке на упомянутую не работающую теорию, около двух миллиардов долларов.

В построении новой модели движения литосферы интересную роль сыграла река Пяндж на Памире, которая находится на расстоянии 7 тысяч км от Тихого океана. Чтобы построить модель возникновения землетрясения, надо понять, при каких силах начинается движение друг относительно друга литосферных плит. В центре Евразии есть огромная плита Памира, как ее называют «Крыша мира», размером 2000 на 2000 км. Она до сих пор постоянно поднимается со скоростью 3 см в год, потому что внизу, на глубине 50 км под ней, есть расплав, который ее поднимает как на подушке.

Этот процесс происходит очень давно. Когда Крыша мира поднялась достаточно высоко, то появилась река Пяндж, которая стала уносить огромное количество горных пород. Объем пород можно легко сосчитать. Сосчитав эти породы, ученые увидели, что Памир делится на две части, и одна половина Крыши мира имеет вес больший, чем другая. В результате разницы в весе Памир раскололся, и по всей его длине прошла трещина. Поняв это, удалось рассчитать, при каких напряжениях земной коры раскололся Памир (научная задача напоминает школьную задачу рассчитать то, какую силу нужно приложить, чтобы сломать доску). Это такие же напряжения, которые сбрасываются во время сильных землетрясений. Вот как всё в мире связано.

С христианской точки зрения

Многие  люди заметили, что новости о Японии последних дней сообщали о нарастании напряженности в отношениях между Японией и Россией по поводу Курил, грозя вылиться в вооруженный конфликт с непредсказуемыми последствиями. Эти новости неожиданно сменились сообщениями о природной катастрофе – цунами. Сегодня Россия помогает Японии уменьшить количество жертв и устранить последствия стихии. О Курилах же мы забудем на несколько лет.