Занимательное волноведение. Волнения и колебания вокруг нас

К примеру, на стороне земного шара, противоположной точке землетрясения, S-волн никогда не бывает. Эта гигантская «тень» — только не волн света, а сейсмических волн — свидетельствует о том, что в центре планеты находится вещество, препятствующее распространению S-волн сквозь Землю. Судя по размерам «тени», блокирующая область чуть больше Марса. Благодаря «тени» геологи определили, что находящийся под мантией Земли следующий слой, внешнее ядро, пребывает в жидком состоянии. Как они догадались? Дело в том, что поперечные волны, те самые, что колеблются из стороны в сторону, как S-волны, через жидкости не распространяются.

Но почему? А потому, что в отличие от твердых веществ, жидкость при движении из стороны в сторону не пружинит. Она не оказывает сопротивления движению по надвигам, в ней не возникают силы упругости, при наличии которых поперечная волна двигается в среде. S-волна может распространяться только через твердое вещество, поскольку оно оказывает сопротивление движению по надвигам. Твердая порода, возвращаясь в ту точку, откуда начала движение, когда возникло колебание в одну сторону, пружинит — то есть волновые вибрации через нее распространяются. А вот жидкость под воздействием вибраций из стороны в сторону не пружинит — она их поглощает, перетекая туда и обратно. Получается, что именно жидкое вещество преграждает поперечным S-волнам путь в недрах Земли, отбрасывая «тень» на противоположную сторону планеты.

Рассуждая подобным образом, геологи выстроили рабочую модель Земли, обозначив переход земной коры в вязкую мантию, а вязкой мантии — в жидкое внешнее ядро, сменяющееся твердым внутренним. Уточнению модели способствовал и тот факт, что Р-волны и S-волны при распространении через слои разной плотности меняют скорость. Иными словами, происходит рефракция. Волны, распространяясь по дуговой траектории, при прохождении градиентов плотности внутри одного слоя резко меняют направление. Однако сложить мозаику из отдельных, разрозненных фактов, непросто. Волны будто нарочно пытаются сбить нас со следа, переходя одна в другую: S-волна может перейти в Р-волну, и наоборот.

Разветвленная сеть сейсмографов позволяет провести «медицинский осмотр» планеты. Как поглощение и рассеяние ультразвуковых волн, пропускаемых через матку, позволяет увидеть еще не родившегося ребенка, так волны от сейсмических толчков землетрясения позволяют увидеть нутро матушки-Земли.

Вот мы тут рассуждаем о сейсмических волнах, а ведь чуть не забыли о самом главном (по крайней мере, для нас) их свойстве: сейсмические волны способны вызывать на поверхности земли ужасающие разрушения. Но повинны в разрушениях не столько упругие волны, сколько поверхностные волны. Само их название подсказывает — они распространяются вдоль поверхности Земли. Поверхностные волны берут начало от эпицентра землетрясения и проходят через твердую земную кору, не затрагивая более глубокие слои. Их скорость чуть ниже скорости S-волн; собственно, это третий тип регистрируемых сейсмографами волн.

Поверхностные волны подразделяются на два вида: волны Лява и волны Рэлея, названные по именам ученых, описавших их математически. Волны Лява колеблют земную поверхность горизонтально — из стороны в сторону относительно направления распространения волны. Волны Рэлея, наоборот, перекатываются вверх-вниз; земля при этом перемещается по траектории овала, что роднит волны Рэлея с волнами океаническими.[42]

Поверхностные волны, распространяясь вдоль земной коры, причиняют разрушения более серьезные, нежели упругие волны. Поверхностные волны, колеблющие землю из стороны в сторону, называются волнами Лява, а те, что перекатываются вверх-вниз — волнами Рэлея

Сходство волн Рэлея и морских волн было подмечено одним из очевидцев землетрясения 1886 года в городе Чарльстон, штат Южная Каролина:

«Земля пошла волнами — совсем как па море… И волны эти выглядели точь-в-точь как те, что я тысячу раз видел с берега Салливан-Айленда… Казалось, волны идут и с юго-запада, и с северо-запада, пересекая улицу по диагонали и проходя друг через друга; они поднимали меня и опускали — я как будто качался на волнах неспокойного моря».^{96}