научная статья по теме ОБ АВТОКОЛЕБАНИЯХ ЗЕМЛИ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ОБ АВТОКОЛЕБАНИЯХ ЗЕМЛИ»

ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2015, № 6, с. 127-130

= ДИСКУССИИ

УДК 550.34

ОБ АВТОКОЛЕБАНИЯХ ЗЕМЛИ

© 2015 г. А. В. Гульельми

Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва E-mail: guglielmi@mail.ru Поступила в редакцию 26.01.2015 г.

В последние годы на страницах журнала "Физика Земли" были опубликованы результаты наблюдений, определенно свидетельствующие о воздействии собственных (свободных) колебаний Земли на активность землетрясений. Известно, что свободные колебания возбуждаются землетрясениями. В этой связи возникает вопрос, не следует ли нам рассмотреть гипотезу о существовании автоколебаний Земли? В данной статье сделан вывод о том, что воздействие свободных колебаний на глобальную сейсмичность само по себе отнюдь не свидетельствует о существовании резонансных автоколебаний Земли. В то же время не исключено, что признаки релаксационных автоколебаний иногда наблюдаются после сильных землетрясений в форме скрытой повторяемости афтершоков с квазипериодом около трех часов. Дальнейшее исследование в этом направлении представляется интересным и перспективным.

Ключевые слова: землетрясение, сфероидальные колебания, сейсмические волны, кругосветное эхо. DOI: 10.7868/S0002333715040018

1. ВВЕДЕНИЕ

Недавно в журнале "Физика Земли" были опубликованы статьи [Гульельми, Зотов, 2013; Гульельми и др., 2014; Соболев, 2015], авторы которых приводят аргументы в пользу идеи о модуляции сейсмичности свободными колебаниями Земли. Представление о свободных (собственных) колебаниях является одним из важнейших в сейсмологии (см. например фундаментальную монографию [Жарков, 2012]). Мы знаем, что свободные колебания возбуждаются землетрясениями. Таким образом, грубо говоря, в указанных выше статьях речь идет о том, что активность землетрясений контролируется свободными колебаниями, ударное возбуждение которых происходит под воздействием землетрясений. Но тогда возникает вопрос: не должны ли мы говорить об автоколебаниях, а отнюдь не о вынужденных колебаниях Земли? В данной заметке мы рассмотрим поставленный вопрос и попытаемся дать на него разумный ответ.

Сделаем несколько предварительных замечаний. Термин "автоколебания" ввел А.А. Андронов в 1928 году. Автоколебания как физическое явление начали изучать экспериментально Галилей, Гук и Гюйгенс в XVII веке в связи с проблемой усовершенствования часовых механизмов. В конце XIX века Рэлей теоретически описал ряд механических и акустических систем, способных генерировать незатухающие колебания. Он особо подчеркнул нелинейность как важнейшее свойство колебательных систем такого рода. Мощную школу теории нелинейных колебаний создали

Л.И. Мандельштам и А.А. Андронов в середине XX века (см. например [Вреден-Кобецкая, 1941; Бойко, 1983]).

Рассмотрим один из рисунков, приведенных в работе [Guglielmi, Zotov, 2014]. На нем дан спектр активности афтершоков после землетрясения с магнитудой M = 5.9 в Калифорнии. Мы видим узкий пик на частоте 0.309 мГц, что соответствует колебаниям с периодом 54 мин. Мы имеем дело с не-

3 г

0.25

0.30 0.35

Частота, мГц

0.40

Спектр активности афтершоков после землетрясения с магнитудой М = 5.9, которое произошло в Калифорнии 12.09.1994 [ОщИе1ш1, 2о1;оу, 2014].

128

ГУЛЬЕЛЬМИ

линейными колебаниями, коль скоро наблюдаем периодичность афтершоков, возникающих при разрывах горных пород. Рисунок удивительным образом напоминает спектр линейных упругих колебаний Земли 0S2. Здесь мы подчеркнем, что период основной моды сфероидальных колебаний 0S2 довольно точно измерен и равен 54 мин [Жарков, 2012]. Такое совпадение периодов никак нельзя считать случайным. Тем более, что скрытая 54-минутная периодичность землетрясений присуща не только отдельным регионам, но и планете в целом [Гульельми, Зотов, 2013; Гульельми и др., 2014]. Вывод состоит в том, что сфероидальные колебания 0S2 в той или иной степени воздействуют на активность землетрясений. Наш вывод базируется на простом анализе каталогов землетрясений, из которых извлекалась информация лишь о месте, времени и магнитуде подземного толчка.

Исключительно важно, что к аналогичному выводу приводит другой, независимый подход к проблеме. В его основе лежит рафинированный анализ записей на широкополосных сейсмических станциях IRIS, располагающихся в различных районах земного шара [Соболев, 2015]. Сосредоточим внимание на одном из основных положений указанной здесь статьи: "Выявлены эффекты возникновения когерентных колебаний регионального и глобального масштаба после землетрясений с М> 7". Автор поясняет, что когерентные колебания "представляют собой хорошо известные собственные колебания Земли". Далее, при обсуждении полученного результата автор допускает, что есть "глубокое физическое объяснение возрастания количества землетрясений во время когерентных колебаний". Заметим, что согласно [Соболев, 2015] эффект проявляется наиболее четко в диапазоне периодов от 5 до 10 минут. Это позволяет нам предположить, что в данном случае речь идет о модах сфероидальных колебаний примерно от 0S5 до 0S20.

Итак, цитированные выше работы не оставляют сомнения в модуляции землетрясений сфероидальными колебаниями. Тем самым они проливают новый свет на физику землетрясений, и стимулирует дальнейший поиск механизмов сейсмичности. В частности, они дают нам основание обсудить вопрос об автоколебаниях Земли.

2. О РЕЗОНАНСНЫХ АВТОКОЛЕБАНИЯХ

На первый взгляд представление об автоколебаниях Земли довольно очевидно. Действительно, с известными оговорками Земля есть автономная неконсервативная динамическая система, так что достаточно продолжительные колебания всегда допустимо рассматривать как своего рода автоколебания. Но это суждение неудовлетворительно. Оно сформулировано в столь общем виде, что его невозможно опровергнуть и, более того, оно непро-

дуктивно. Опыт геофизических исследований и здравый смысл подсказывают, что наблюдения, описанные в работах [Гульельми, Зотов, 2013; Гульельми и др., 2014; Соболев, 2015], действительно подвели нас к сложной теоретической проблеме, но сами по себе они не дают убедительных оснований рассматривать сфероидальные колебания Земли как автоколебания. Попытаемся объяснить наш взгляд на положение вещей.

Сосредоточим внимание на резонансных автоколебаниях (о релаксационных автоколебаниях см. в разделе 3.) Динамическая система должна содержать ряд структурных элементов — резонатор, источник постоянной энергии, а также устройство положительной обратной связи. Например, в механических часах это маятник, гиря или пружина, а обратная связь осуществляется с помощью храповика, соединенного с источником энергии, и анкера, прикрепленного к маятнику. Вполне очевидно, что в нашем случае резонатором является Земля в целом, способная совершать резонансные колебания на одной из собственных частот, например, на фундаментальной частоте 0.309 мГц. Твердая оболочка Земли (литосфера) постоянно находится в неравновесном напряженно-деформированном состоянии. Она служит источником энергии, необходимой для возбуждения резонансных колебаний. Остается указать механизм обратной связи, но как раз именно в этом пункте возникают трудности и сомнения.

Опыт сейсмических наблюдений свидетельствует, что энергия источника поступает в резонатор короткими импульсами при землетрясениях. Казалось бы, модуляция активности землетрясений сфероидальными колебаниями, обнаруженная в работах [Гульельми, Зотов, 2013; Гульельми и др., 2014; Соболев, 2015], указывает на возможный механизм обратной связи. Например, в работе [Соболев, 2015] на этот счет прямо сказано, что собственные колебания Земли "могут способствовать возникновению следующего землетрясения в том месте, где существует потенциальный очаг, находящийся в метастабильном состоянии". Но мы вполне отдаем себе отчет в том, что данное соображение останется рабочей гипотезой до тех пор, пока эффективность обратной связи такого рода не будет продемонстрирована в рамках адекватной физико-математической модели.

Полезно иметь в виду, что существует иная стратегия диагностики типа колебательной системы. Она предписывает полную феноменологическую редукцию структурных элементов системы и переход к представлению о черном ящике без входа. Информация о внутреннем устройстве и функционировании черного ящика как динамической системы извлекается из выходного сигнала методами статистической теории колебаний. В физике магнитосферы на этом пути в прошлом уда-

ОБ АВТОКОЛЕБАНИЯХ ЗЕМЛИ

129

лось успешно отделить вынужденные колебания геомагнитных оболочек от резонансных автоколебаний [Guglielmi, Pokhotelov, 1996]. В сейсмологии данный подход также может оказаться успешным. Но до тех пор, пока соответствующий анализ не произведен, разумно воздержаться от принятия гипотезы о резонансных автоколебаниях Земли.

Наша консервативная точка зрения состоит в следующем. Сильные землетрясения возникают спонтанно. Они возбуждают сфероидальные колебания. Некоторая доля относительно более слабых землетрясений индуцируется сфероидальными колебаниями. Механизм индукции не известен. Именно это и составляет ключевую проблему в данной области исследований. В настоящее время нет никаких оснований считать сфероидальные колебания автоколебаниями, поскольку мы не знаем ответа на следующий вопрос: компенсируется ли потеря энергии, возникающая при диссипации сфероидальных колебаний, энергией подземных толчков, индуцированных этими колебаниями?

3. О РЕЛАКСАЦИОННЫХ АВТОКОЛЕБАНИЯХ

Итак, на вопрос, поставленный во Введении, мы ответили отрицательно. Нам не удалось отыскать в Земле автоколебательных систем резонансного типа. Но логика вопросно-ответной формы дискурса такова, что ответ естественно порождает новый вопрос. Мы спрашиваем себя, а нет ли в свойствах глобальной сейсмичности признаков автоколеба-нийрелаксационного типа? Как это ни странно, и в этом случае исходный материал для обсуждения также содержится в работах [Гульельми, Зотов, 2013; Гульельми и др., 2014; Соболев, 2015]. (Напомним, что указанные работы стимулировали обсуждение нами вопроса о резонансных автоколебаниях.)

При статистическом исследовании афтершо-ков сильны

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Геофизика»