Научный детектив
(резонансная линия)
Адам Григорьевич Гликман,
НТФ "ГЕОФИЗПРОГНОЗ"
декабрь 2012, Санкт-Петербург
Детектив описывает процесс исследования
загадочного происшествия с целью выяснения
его обстоятельств и раскрытия загадки.
(википедия)
Многие люди любят читать детективы. Многие мечтают участвовать в них. Естественно, в качестве следователя. Это кажется таким захватывающим делом. И только единицы занимаются распутыванием самого интересного и захватывающего из всех детективов - детектива научного. Ну да, ведь даже начиная с определения, которое науке дал И.И. Мечников, научный процесс - это поиск истины. То есть, относится к жанру детектива. Любой человек, любой ребенок, любой следователь, доискиваясь до причинно-следственных ниточек какого-то происшествия, осуществляет фактически научную деятельность.
Тот, кто участвует или участвовал в этом процессе, знает, что сам момент разгадки - это ни с чем не сравнимое ощущения счастья.
Читая детектив, мы вряд ли были бы благодарны автору, если бы он нас сразу ознакомил с результатами следствия. Думаю, что, повествуя о развитии научного детектива, следует придерживаться того же принципа, и повествование должно полностью следовать за событиями, которые всегда неожиданны и непредсказуемы.
Есть некоторые различия между обычным детективом и научным. Криминальный детектив заканчивается разоблачением виновных и реабилитацией невиновных. Научный детектив не заканчивается никогда. Потянув за ниточку, мы обязательно обнаружим, что к ней привязано несколько других ниточек, к каждой из которых, в свою очередь, привязаны также несколько логических линий, а то и целых научных направлений.
Но есть еще одна особенность научного детектива. Если в раскрытии преступления заинтересованы все, то в раскрытии научных тайн не заинтересован никто. По крайней мере, в тех областях знания, с которыми я столкнулся. И когда в науке получается что-то серьезное, то нельзя сказать точно - повезло тебе или не повезло. Могу сказать точно, что чем серьезнее результаты в науке, чем более фундаментальные достижения, тем сильнее конфронтация, в общем-то, со всем обществом.
Научный детектив начинается с какого-то незначительного факта, мимо которого, не обращая на него внимания, пройдет большинство людей. А заметившие его, вслух или про себя скажут: «этого не может быть». Вот и мои приключения начались с того, что при первом же моем практическом сейсмоизмерении (в условиях угольной шахты) я обнаружил, что сейсмосигнал имеет вид затухающего синусоидального процесса.
Дело в том, что синусоидальный (в том числе, синусоидальный затухающий) сигнал - очень специфический объект. Если реакция на ударное (импульсное) воздействие имеет вид затухающей синусоиды, значит, объект, который был подвергнут этому ударному воздействию есть не что иное как колебательная система. При этом частота этой синусоиды - это собственная частота колебательной системы.
Что такое сейсмосигнал. Это когда по горному массиву или, в общем случае, по поверхности земной толщи наносят удар, а с сейсмоприемника, находящегося на некотором расстоянии от точки удара, снимают возникающий при этом электрический сигнал. Сейсмоприемник - это тот же микрофон, только предназначен он для того, чтобы регистрировать поле упругих колебаний (иначе говоря, акустическое поле) не в воздухе, а в твердой среде. В данном случае, в горном массиве.
Так сложилось, что в той командировке, когда я обнаружил, что сейсмосигнал имеет характер затухающей синусоиды, я выяснил, что роль колебательных систем выполняют слои горных пород, а также то, что частота f0 синусоиды, возникающей при ударе по кровле горной выработки, связана с толщиной (геологи говорят - мощностью) h породного слоя следующим соотношением:
f0 = 2500 / h (1)
Это соотношение было получено чисто эмпирическим путем, и 2500 - это как бы коэффициент, при котором выполняется соотношение (1). Размерность этого коэффициента - м/с. То есть, это некоторая скорость.
Шел 1977 год, а сейсморазведка - ровесник XX века. Поэтому у меня не было ни минуты сомнения, что такой сейсмосигнал геофизики наблюдают уже восьмой десяток лет. Однако следов этого мне найти не удалось.
Как оказалось, основная причина этого заключается в том, что непосредственная и жесткая связь между наличием синусоидального сигнала и существованием колебательной системы мало кому известна. Если посмотреть в разного рода энциклопедии, в википедию, то мы увидим, что колебательная система - это устройство, которое на воздействие отзывается периодическими колебаниями без указания на синусоидальный характер этих колебаний.
И только радиофизики твердо знают, что реакция колебательной системы на ударное воздействие - это именно синусоидальный затухающий сигнал. Это очень важный момент. Дело в том, что синусоида - это неделимый информационный кирпичик, это единственный сигнал, который невозможно получить интерференцией. А именно интерференцией объясняется происхождение всех сигналов в сейсморазведке.
Мне, как и всем радиофизикам, еще со второго курса известна история открытия лордом Кельвином электрического колебательного контура. Ему для этого оказалось достаточным увидеть на осциллографе, что сигнал, снимаемый с конденсатора, имел форму затухающей синусоиды. Поэтому, увидев синусоидальный характер сейсмосигнала, я сразу стал искать, что именно играет роль колебательной системы в данном случае. Ну, здесь, чтобы ее найти, не нужно было иметь большого ума, потому что угленосная толща, по своей сути, является слоистой средой, а предположить резонансные свойства для плоскопараллельной структуры для радиста было естественно.
Сказать, что эта находка оказала на меня оглушительное воздействие, значит - ничего не сказать. Для меня, как для радиоинженера по образованию, не было никакого сомнения, что я обнаружил не больше не меньше, как новую колебательную систему.
В настоящее время известно весьма незначительное количество колебательных систем. В первую очередь, это электрический колебательный контур, имеющий хоть и незначительный возраст (лет 130), но теоретически разработанный более всех других колебательных систем. Далее, камертон, маятник, струна... Вот, пожалуй, и всё. И я понимал, что отношение к человеку, заявившему об открытии новой, ранее неизвестной колебательной системы, серьезным быть не может.
Кроме того, всё усугублялось тем, что с позиции существующих представлений, плоскопараллельная структура (пластина, слой и т.п.), материал которой монолитен и однороден по вещественному составу, не имеет оснований быть колебательной системой. Для того, чтобы это основание существовало, объект должен обладать механизмом, преобразующим ударное воздействие в синусоидальный сигнал. У известных колебательных систем этот механизм существует и хорошо известен. Пластина такого механизма, похоже, не имеет.
Вот и завязка моего детектива. Физический эффект в реальности существует, и может быть предъявлен и в лаборатории, и в естественных условиях, но права на существование не имеет. Такое вот «НЕ МОЖЕТ БЫТЬ».
Впрочем, не всё так безнадежно. Буквально в том же, 1977-м году была сделана аппаратура, с помощью которой оказалось возможным определять толщину (мощность) породного слоя, находящегося непосредственно над головой шахтеров. Зная мощность породного слоя, находящегося над головой, нетрудно выйти на прогноз обрушения этого слоя.
Это была простейшая реализация соотношения (1), и аппаратура представляла собой обычный спектро-анализатор. Эта аппаратура (имела название «Резонанс») сыграла свою роль в решении одной из проблем безопасности подземных рабочих, но ни на шаг не приблизила меня к пониманию физики этой новой колебательной системы.
Однако эта, не самая серьезная разработка, тем не менее, подчинялась законам методологии. Будучи основана на новом физическом эффекте, она сама явилась источником принципиально новой информации. Эта новизна касалась геологической науки. С помощью аппаратуры «Резонанс» удалось выявить неизвестные ранее факторы, оказывающие влияние на устойчивость кровли угольных пластов.
С помощью аппаратуры «Резонанс» удалось разрешить один очень давний спор о физике разрушения пород кровли. Большинство ученых-горняков считают, что первичным процессом разрушения является образование вертикальных, т.н. секущих трещин, после чего начинают вываливаться породные блоки. Остальные считают, что первичным является процесс расслоения пород. Предполагалось, что расслоение идет по поверхностям, на которых происходит разделение пород по литотипам.
Аппаратура «Резонанс» показала, что первично расслоение, но не по поверхностям смены литотипов, а там, где в породах залегают тонкие и сверхтонкие прослои. В большинстве своем, это углистые прослои, но встречаются и слюдяные и мергелистые. Дело в том, что никакими методами кроме как с помощью аппаратуры «Резонанс» тонкие и сверхтонкие прослои не выявляются.
Кроме того, эта аппаратура явилась стимулятором обнаружения одного интересного побочного эффекта.
Примерно в 1981-82 году шахтные геологи добились промышленного выпуска аппаратуры «Резонанс». В мою задачу входило, кроме собственно разработки промышленного варианта аппаратуры, обучение геологов работе на ней. Однако когда аппаратура уже появилась, я отказался обучать геологов. Дело в том, что аппаратура, работающая вопреки законам физики, не должна использоваться для решения проблем безопасности.
Аппаратура эксплуатировала эффект, которого быть никак не могло. Допустим, что в какой-то момент результат, получаемый с помощью этой аппаратуры, окажется соответствующим физике, и шахтеры получат рекомендации, не способствующие повышению безопасности их труда, а наоборот, ведущие к травматизму.
Моими коллегами это было воспринято чуть ли не как бунт с моей стороны, и мне высказали всё, что обо мне думали, и даже больше того. Мне объяснили, что поскольку я свою задачу выполнил, то в моих услугах больше не нуждаются. Вся эта история была сильнейшим ударом по мне. Будем говорить, по голове. В общем, в том, еще весьма юном возрасте (не более сорока) я хорошо понял уязвимость нашего организма.
Но надо же было такому случиться, что, находясь в этом немыслимом, стрессовом состоянии, я нашел решение этой проблемы. Я понял, где искать механизм преобразования удара в синусоиду. Что это было? Стресс как средство мобилизации всех способностей организма на решение задачи? Или Что-то Свыше мне подбросило это решение... Но я понял тогда, что для того, чтобы в голову пришла приличная мысль, нужно, чтобы по ней (по голове) крепко ударили.
Я проанализировал свой, бывший к тому времени, уже немаленький опыт решения различных задач, и обнаружил, что так было всегда. Наиболее интересные результаты моей работы получались в состоянии стресса. Вот это открытие я считаю довольно интересным, хоть и побочным и не имеющим практического применения, поскольку каждый такой факт может быть оценен только ретроспективно.
Но прежде, чем начать рассказывать о самом механизме преобразования удара в синусоиду, я должен изложить некоторые порочащие меня обстоятельства.
Дело в том, что здесь действительно идет речь об открытии новой колебательной системы, но... открыл ее не я.
В 1917 году было обнаружено, что если пластину из пьезодиэлектрика включить в обратную положительную связь усилителя, то получим генератор синусоидального напряжения с какой-то определенной частотой. Собственно, то же самое произойдет, если вместо пьезодиэлектрика в обратную положительную связь будет включен обычный колебательный контур. Но только в случае пьезоэлемента стабильность частоты генератора будет очень высокой, другими средствами (в то время) недостижимой.
Сначала для этого использовали сегнетову соль, затем - вырезали пластины из природного кварца, потом научились для этих нужд выращивать искусственный кварц... Сейчас пьезоматериалов, пригодных для получения высокостабильных генераторов существует много, но все резонаторы, использующие их, объединяются одним названием - кварцы. Сегодня нет ни одного электронного устройства, в состав которого не входили бы кварцы.
Если посмотреть в разного рода энциклопедиях, то мы увидим, что работу кварца объясняют наличием в пластине неких электрических колебательных контуров. Как сейчас говорят, виртуальных. А также наличием пьезоэффекта...
Кстати, об этом последнем аргументе. Я для лабораторного моделирования использую пьезоэлементы из титаната бария - наиболее дешевый и технологичный вид пьезокерамики. Так вот, резонансные свойства этих пластин не изменяются, если их лишить пьезосвойств. Для этого их достаточно нагреть до точки Кюри... Значит, пьезоэффект никак не связан с резонансными свойствами пьезодиэлектриков.
Научной и учебной литературы по кварцам существует предостаточно. Но нигде мы не найдем соотношения (1). Сложнейшая математика, решение уравнений, описывающих якобы находящиеся в них, а на самом деле, несуществующие электрические колебательные контура, но узнать, какой толщины должна быть пластина, чтобы получить требуемую частоту, из этих книг невозможно.
На самом же деле, пьезоэлементы представляют собой прямоугольную пластинку, собственная частота которой связана с ее толщиной... СООТНОШЕНИЕМ (1)! Там только в числителе стоит другое число. Для кварца и пьезокерамики - это около 3000м/с, для сегнетовой соли - около 2000м/с... Значит, получается, что колебательная система этого типа была открыта в начале ХХ века! Но почему же это не было заявлено?
А о том, что при изготовлении кварцев используется именно выражение (1), я узнал случайно, когда покупал на заводе очередную партию пьезокерамики.
Но в чем же здесь дело? Почему обнаруженная в начале ХХ века колебательная система не могла быть названа таковой? К тому времени, когда были открыты кварцы, прошло всего лет 30 с тех пор, как был открыт электрический колебательный контур. Это было время всемирного и стремительного освоения контуров, возникновения радиосхем, в которых контура использовались совместно с кварцами. Почему же контура числились колебательными системами, а кварцы - нет?
Я думаю, что дело здесь в том, что Поль Ланжевен, впервые использовавший пьезоэлемент как резонатор для часов еще перед 1-й Мировой войной, не понимал физику его работы. Но ведь и лорд Кельвин не понимал физику колебательного контура, когда он провозгласил открытие новой колебательной системы.
Так, абстрактно, всё кажется очень простым. Раз устройство преобразует удар в синусоиду, значит, оно является колебательной системой. Но попробуйте представить себе, что вы заявляете о том, что открыли новую колебательную систему... Наши коллеги начала ХХ века на это не осмелились, и я их хорошо понимаю. Но вот то, что они пустили развитие представлений о кварцах по пути наукообразия, это, конечно, очень жаль. В науке ведь практически невозможно однажды сказанное слово взять назад.
Такое вот ущербное развитие представлений о кварцах, когда вместо полноценной теории используют наукообразие, как оказалось, весьма ограничивает знание их свойств.
Но всё-таки, как же проявились результаты того удара по моей бедной голове...
Мне тогда, практически, в тот же день открылась логика, которая буквально лежала на поверхности. С тех пор прошло 30лет, и я никак не могу понять, почему я не увидел ее раньше. Ну что ж, видно, таково свойство стрессового состояния. Это всё оказалось настолько просто, что мне даже неудобно об этом рассказывать.
Итак, что мы имеем?
- Отклик на удар имеет вид затухающей синусоиды. Современный арсенал радиоизмерительных устройств позволяет признать синусоидальный характер отклика на удар достаточно достоверным фактом.
- Материал пластин (стекло, металлы, горные породы, керамика...), подвергавшихся исследованию, однороден по вещественному составу, монолитен и изотропен.
- Пластина из акустически однородного материала не может иметь механизма преобразования удара в синусоиду.
Вывод:
Следовательно, перечисленные материалы, будучи однородными по механическим свойствам и вещественному составу, должны иметь какую-то акустическую неоднородность. А какая это может быть неоднородность? Какие мы вообще знаем акустические свойства материалов, которые могут быть определены на метрологически приемлемом уровне? Только если скорость, да? Я допускал, что могут быть еще какие-то, неизвестные, акустические свойства (что, кстати, в последствие и подтвердилось), но приняв как гипотезу требование акустической неоднородности в слоях-резонаторах, мы должны начать исследование и поиск ее с того, что известно, то есть, с исследования кинематических характеристик поля упругих колебаний.
Да, признаюсь, допустить неодинаковость скорости во всех точках такого объекта как, скажем, стеклянная пластина, при всей безукоризненности предложенной логической схемы - это не для слабонервных. Кстати, когда я предложил эту схему для обсуждения своим коллегам, они всерьез озаботились моим психическим здоровьем.
Эта тема даже не обсуждается никогда, потому что одинаковость скорости распространения поля упругих колебаний во всех точках объектов из таких однородных материалов как стекло, абсолютно очевидна. Но, во-первых, очевидность в физике - это путь в тупик. И аксиом как таковых не существует в принципе. Как заметил Лобачевский, аксиома - это не то, что не требует доказательства, а то, что НИКАК не доказать. Потому что нет таких вещей, которые не требовали бы доказательства.
Ну и какой же характер неодинаковости скорости можно было ожидать? Поскольку частота слоя-резонатора зависит от его толщины, то я предположил, что скорость распространения поля упругих колебаний должна как-то изменяться при распространении его поперек такого слоя. Чисто мысленное моделирование подсказало мне, что изменения скорости должны происходить вблизи поверхностей. То есть, в приповерхностных зонах пластин-резонаторов.
Я думаю, не стоит подробно рассказывать ход эксперимента в такой, в общем-то, популярной статье. Подробно это описано в многочисленных публикациях в интернете [1]. Но показать характер изменения скорости при прозвучивании слоя-резонатора будет не лишним. Он показан на рис.1.
Рис. 1
При сквозном прозвучивании слоя-резонатора толщиной h скорость движения фронта волны Vфр, проходящей сквозь слой-резонатор, сначала увеличивается по мере преодоления промежутка Δ1h, затем остается неизменной и равной своему максимальному значению Vфр.max, а затем, при приближении ко второй границе, уменьшается до величины Vфр.min. Vфр. - это измеряемая скорость. Она усреднена по толщине пластины. И понятно, что эта средняя скорость будет зависеть от толщины пластины. Чем толще будет пластина, тем меньше будут влиять на величину измеряемой скорости приповерхностные зоны. То есть, тем больше будет значение Vфр.
Результаты научных исследований не должны зависеть от отношения к ним различных людей. Но, с другой стороны, наука делается людьми, и ход исследований конечно же не может не зависеть от индивидуальных особенностей исследователей. Нечто подобное приведенной выше зависимости я ожидал увидеть. Но увидев то, что ожидал, понял, что я не в силах это принять. То есть, у меня появилась уверенность, что этого не может быть. По психологическому воздействию на мою слабую психику это оказалось почище момента обнаружения новой колебательной системы.
Несколько лет я улучшал свою измерительную аппаратуру, уменьшал ее погрешность с тем, чтобы доказать, что скорость распространения поля упругих колебаний в однородных твердых средах есть величина постоянная и одинаковая во всех точках объекта. Однако чем точнее были измерения, тем явственнее был этот обнаруженный мною эффект.
В конце концов, как оказалось, величина скорости Vфр.(h) в слоях-резонаторах оказалась всё-таки постоянной. Но скорость - параметр векторный, и вектор скорости в приповерхностных зонах поворачивается, что при измерении х-составляющей скорости проявляется как уменьшении скорости. Но об этом мы поговорим попозже.
Это время моих внутренних мучений и метаний даром не пропало, и мне удалось обнаружить несколько материалов, в которых скорость постоянна, и около границ не снижается. Это оказалось оргстекло, некоторые пластмассы и некоторые сорта угля. Так вот, ОБЪЕКТЫ ИЗ ЭТИХ МАТЕРИАЛОВ РЕЗОНАНСНЫЕ СВОЙСТВА НЕ ПРОЯВЛЯЮТ.
И теперь можно было сказать с уверенностью, что условием того, чтобы объект был резонатором, является наличие у него приповерхностных зон, в которых скорость распространения поля упругих колебаний уменьшается с приближением к поверхности.
Таким образом, слои из подавляющего большинства твердых сред (стекло, металлы и сплавы, керамика, горные породы) получили право считаться резонаторами, а аппаратура «Резонанс» получила право на проведение измерений в условиях шахт с тем, чтобы давать прогноз горно-геологических условий.
Строго говоря, механизм преобразования удара в синусоиду не найден и по сей день, но найдены условия, при соблюдении которых это преобразование возможно.
Начиная с этого момента, я мог спокойно утверждать, что земная толща представляет собой совокупность колебательных систем. Но при этом же возникло и нечто ужасное. Получается, что колебательными системами являются и все объекты из металлов, сплавов, керамики, стекла... И в том числе, и сейсмоприемники, с помощью которых следует изучать поле упругих колебаний в земной толще! Но ведь нельзя же изучать свойства колебательных систем с помощью других колебательных систем!!
Вот эта тема, эта детективная линия из прошедших 35 лет занимает все 35 лет. В какой-то степени эту проблему удалось решить, но как рассказать об этом в примитивном «научном детективе», еще надо подумать.
По законам жанра, в ходе расследования детектива следователь должен неожиданно получить информацию, которая круто изменит весь процесс. Такую информацию я получил в 1986-м году, когда рвануло в Чернобыле.
Если кто помнит, там всё началось с перенастройки турбины. Как оказалось, при этом возникла вибрация на корпусе турбины, амплитуда которой плавно увеличивалась и достигла колоссальной величины. Потом был взрыв. На самом деле, взрывов было два, с интервалом примерно в полминуты. Эти взрывы в виде сейсмотолчков зарегистрировали сейсмологи всего Мира. Первый толчок завершил рост амплитуды вибрации, а уже второй - взрыв реактора.
На самом деле, вибрация на 4-м блоке ЧАЭС началась задолго до аварии. Работники АС решили, что нужно отбалансировать турбину, но это ничего не дало. Вибрация увеличивалась, и было решено разобраться с этим в июне 1986г., но авария произошла в конце апреля...
Здесь имеем полную аналогию с Саяно-Шушенской ГЭС. Рост вибрации возникает либо при изменении скорости вращения и приближении ее к собственной частоте колебательной системы, находящейся в основании машины, либо, при постоянной скорости вращения, вследствие возникновения новой частоты колебательной системы.
На Саяно-Шушенской ГЭС новые частоты возникали из-за образования новых трещин в теле плотины. Из-за чего они возникли на ЧАЭС - не знаю. Дальнейший рост вибрации на ЧАЭС начался при изменении частоты вращения турбины 26.04.86....
Если рост амплитуды вибрации на резонансе достигает величины, при которой разрушается самое слабое звено, то происходит авария. Если слабое звено - грунт, то мгновенно, взрывоподобно в грунте образуется воронка, и обломки турбины туда проваливаются. Так было на ЧАЭС, и это был первый толчок, зарегистрированный сейсмологами.
Если опора турбины - железобетонная плита, то слабым звеном оказывается сама турбина, и ее срывает со стопоров. Так было на СШГЭС.
А второй взрыв на ЧАЭС - взрыв реактора. Подробнее ничего сказать не могу. Там же всё ужасно секретно. От кого, правда, не знаю. Наверное, от нас с вами. По логике, вроде, там, под турбиной, должна была быть какая-то полость. Иначе, куда бы ей проваливаться?
Вся эта информация выдавалась порциями, и первоначально известно было только про вибрацию. И вот тут меня осенило. Граждане дорогие, ведь это же классическое резонансное разрушение!
Нет радиста, который не знал бы этого явления. Резонанс возникает при совпадении собственной частоты колебательного контура (колебательной системы) с частотой внешнего воздействия. Если на колебательный контур подать электрическое напряжение с частотой, совпадающей с его собственной частотой, амплитуда этого напряжения начинает расти, и может увеличиться в десятки, сотни и даже тысячи раз.
Эпоха открытия колебательного контура, создания генераторов переменного тока и трансформаторов сопровождалась многочисленными авариями, когда по неизвестным еще тогда причинам, непонятно откуда возникало огромное напряжение, которое никто не создавал, и пробивались конденсаторы, и горели трансформаторы. Как и всегда, когда физика переживает трудности, возникли сомнения в обязательности исполнения закона сохранения энергии.
Ох и много же бед было, пока формировалось понимание резонансных явлений. Сейчас эта стихия усмирена, и существует тест на уровне таблицы умножения: если начинается неуправляемый рост амплитуды переменного напряжения, который заканчивается пробоем или возгоранием, значит, имеет место резонансное разрушение.
Узнали событие на Чернобыльской АЭС? Только речь идет не об электрических колебаниях, а о механических, и не об электрическом колебательном контуре, а о механической колебательной системе, залегающей в земной толще под АЭС. Вот, изменилась частота вращения (вибрации) генератора, и угодили в резонанс...
Как же я сразу, еще в 1977 году, не сообразил что если земная толща - это совокупность колебательных систем, то резонансных явлений не избежать!.. Ведь сколько вокруг нас происходит аварий, которым предшествует возникновение и рост вибрации! Вот, например, одна из последних, авария на Саяно-Шушенской ГЭС, где вибрация, по показаниям их собственных самописцев, возросла в 600 раз, прежде чем генератор сорвало со стопоров. А на самом деле, таких аварий видимо-невидимо.
Любой вибрирующий объект, оказавшись в реальных условиях работы, при установке на колебательных системах, сразу попадает в группу риска. А ведь что такое вибрирующие объекты? Это же как раз то самое, что определяет уровень нашей цивилизации. Это электростанции всех типов, насосные станции, турбины разного рода, железнодорожные составы...
Внешнее вибрационное воздействие, которое входит в резонанс с залегающей в земной толще колебательной системой, не всегда легко обнаружить. Так, 3 марта 2009 года внезапно обрушилось шестиэтажное здание архива в Кёльне. Очевидцы рассказали Reuters, что перед обрушением наблюдался грохот и сильная вибрация. «Стол, за которым я сидел, качнулся, и я подумал, что кто-то случайно задел его ногой, - сказал один из посетителей архива. - Потом все начало трястись, как во время землетрясения». Дом превратился в груду кирпичей буквально за секунды. Представитель полиции сказал журналистам, что «это было похоже на взрыв»: кирпичи, доски и куски цемента разлетелись по тротуару в радиусе до 70 метров. Под зданием архива проходит ветка метро, тоннель которой тоже обвалился. Источник вибрации находился в тоннеле метро. (http://www.gazeta.ru/social/2009/03/04/2952320.shtml)
На самом деле, всё произошло в результате бурения в тоннеле метрополитена, проходящем под этим архивом. Естественно, что если не знать физику резонансного разрушения, то представить себе, чтобы работа какого-то маломощного бура привела к разрушению 6-хэтажного здания, невозможно.
Известно, что количество техногенных катастроф растет (в денежном выражении) синхронно с ростом энергообеспечения нашей планеты. В течение второй половины ХХ века энергообеспечение планеты возросло в 10 раз. Также в 10 раз возросли потери в результате техногенных катастроф - с 70 до 700 млрд долларов в год. Теперь-то нам понятно это совпадение.
И еще одна информация, заставившая по-новому посмотреть на такое, казалось бы, известное явление как землетрясения.
Попав случайно на конференцию, занятую рассмотрением землетрясений, я узнал очень для меня интересную вещь. Оказывается, каждому землетрясению предшествует возникновение и рост амплитуды какой-то низкочастотной вибрации непонятного происхождения (!!), который завершается сейсмотолчком. Опять признак резонансного разрушения?.. Землетрясение как результат резонансного явления?..
С одной стороны, это логично. Если земная толща представляет собой совокупность колебательных систем, то и всё, что происходит на Земле должно каким-то образом быть с этим связано. Но тогда что же работает источником внешнего динамического (вибрационного) воздействия? Вот об этом немного подробнее.
Геодезистам хорошо известно явление, которое заключается в том, что в некоторых местах на земле грунт находится в неспокойном, подвижном состоянии. Как удалось выяснить с помощью геодезической аппаратуры, период этих колебаний - минуты, и поэтому просто увидеть это явление невозможно, несмотря на то, что амплитуда колебаний может достигать 10см. Это явление получило название планетарной пульсации.
Планетарная пульсация создает серьезные проблемы для геодезистов. Так, при установке опорных (реперных) точек, в зоне пульсации недопустимо возрастает погрешность определения местонахождения этих точек.
Как удалось выяснить, планетарная пульсация наблюдается не где угодно, а только в определенных зонах. Одна из сложностей изучения этого явления состоит в том, что оно весьма нестабильно. Нестабильно как по величине периода колебаний, так и по их амплитуде. То есть, если сегодня частота пульсации имеет какое-то значение, то завтра может иметь совершенно иное значение, и вовсе исчезнуть на время. Но тем не менее, если отбросить эти непонятности, то можно предположить, что планетарная пульсация - это как раз тот самый источник внешнего динамического воздействия, которое инициирует природные землетрясения. Это предположение полностью подтвердилось, но об этом - в следующем разделе научного детектива.
Я показал всего лишь одну веточку древа познания, которое растет из одного-единственного физического эффекта. В ходе поисков физики этого физического эффекта (прошу прощения за невольный каламбур) было обнаружено еще несколько физических эффектов, каждый из которых стал корневой системой своего дерева, и процесс этот бесконечен. Одним словом, обычный научный детектив...
Литература
1. www.newgeophys.spb.ru
Вот так может выглядеть сейсмосигнал:
Рис. 2
Здесь хорошо видно что в момент времени около 60мс произошло ударное воздействие, которое возбудило сразу две колебательные системы. Как если бы мы ударили сразу по двум клавишам. Наиболее высокочастотная составляющая затухла примерно к 2000мс, и осталась одна, более низкочастотная составляющая.
