Среди всех стихийных бедствий землетрясения, ежегодно уносящие тысячи жизней, возможно, самые масштабные и неотвратимые. Лесные пожары или, например, вызванные весенними разливами рек наводнения можно в значительной степени предсказать и, подготовившись, если не предотвратить, то уменьшить их гибельные последствия. Но предотвратить колебания земли человеку не под силу. Поэтому единственное, что остается – это, во-первых, попытаться предсказать время, место и силу землетрясения. А во-вторых - предугадать масштаб вызванных им разрушений, чтобы свести к минимальным человеческие и материальные потери. Первое пока удается не очень, да и занимается этим мало коллективов, поскольку такое направление уже считается бесперспективным. Зато во втором направлении наметился явный прогресс.
Оказывается, можно вычислить, как именно будет колебаться слой того или иного грунта под влиянием того или иного землетрясения. То есть предсказать, как, где и сколько времени будет колебаться земля на том или ином расстоянии от эпицентра землетрясения той или иной силы, произошедшего на той или иной глубине. Информация об этой разработке российских ученых размещена, помимо, разумеется, специальных научных журналов, в базе данных перспективных исследований на сайте Международного научно-технического центра.
«Дело в том, что зависимость параметров колебаний грунтов от силы землетрясения не прямая, - рассказывает автор работы кандидат физико-математических наук старший научный сотрудник Института физики Земли РАН Ольга Павленко. - Будь эта зависимость прямой, то есть, упрощенно говоря, чем сильнее землетрясение, тем интенсивнее колебания почвы, и проблемы бы рассчитать эти колебания не было. И, например, строить дома в сейсмически опасных районах с учетом этих знаний. Или моментально, еще до связи с очевидцами, просчитывать масштабы разрушения, чтобы быстрее и точнее среагировали службы спасения».
Проблема в том, что зависимость эта, то есть отклик грунта на движения отдельных участков земной коры, гораздо более сложная – не линейная и зависит как от состава, водонасыщенности и глубины залегания слоев грунта, так и от интенсивности и спектрального состава землетрясения. Отдельные толчки землетрясений – не мгновения, их длительность измеряется иногда минутами. За это время колебания распространяются очень далеко, успевают «раскачаться», и у каждого вида грунта – свои параметры, в первую очередь – резонансная частота колебаний, зависящая от силы землетрясения. Одни виды грунта отражают колебания – как стенки волновода отражают луч света, другие эти колебания гасят, третьи, образно говоря, дрожат что есть силы. И, между прочим, у каждого здания тоже есть своя резонансная частота колебаний, зависящая в первую очередь от его конструкции и строительных материалов. Легко представить себе, что будет, если эти частоты совпадут – хрестоматийный пример про мост и роду марширующих по нему солдат знает каждый.
В том числе, поэтому так важно знать точные параметры колебаний грунта, вызванных землетрясением. И, естественно, не менее важно предугадать, насколько далеко от эпицентра распространится ударная волна землетрясения и какой силы она будет. А происходит это порой самым неожиданным образом.
Ответить на эти вопросы в значительной степени и позволяет математическая модель. Разработать ее ученым помог опыт предыдущей работы и сотрудничество с коллегами из нижегородского Института радиофизики (НИРФИ) Владимиром Гущиным, Владимиром Шемагиным и другими, поскольку в Нижнем Новгороде чрезвычайно сильна научная школа нелинейной акустики, а в сейсмологии явления подчиняются аналогичным законам.
Работать над моделью, позволяющей предсказать поведение грунтов при сильных землетрясениях, Ольга Павленко начала несколько лет назад в Киото, в Институте по предотвращению стихийных бедствий киотского университета. «Вся Япония буквально утыкана сейсмодатчиками, расположенными и на поверхности земли, и в шахтах различной глубины, - рассказывает Ольга Витальевна. - То есть фактического материала накоплено огромное количество, учитывая, что «трясет» Японию едва ли не ежедневно. А вот модели, которая позволяла бы связать эти данные воедино, объяснить связь между параметрами землетрясения и вызванными им колебаниями почвы не было. И так получилось, что в общих чертах мне удалось, что называется, нащупать подход к разработке такой модели. Во всяком случае, все экспериментальные данные с ее помощью объяснить удается».
Пока работа не закончена. Общий подход ясен, однако для каждой местности нужно разрабатывать свои варианты модели с учетом специфических особенностей грунтов и возможных в будущем землетрясений. Эти-то варианты и позволят в итоге спрогнозировать потери от землетрясений и уменьшить их. Разумеется, как и любая теория, эта хороша до тех пор, пока объясняет все экспериментальные данные, в этом случае – результаты сейсмологических наблюдений. Однако пока все известные данные с помощью предложенной Ольгой Павленко математической модели объяснить удается. А новые землетрясения пополнят базу данных и позволят уточнить и усовершенствовать модель. Впрочем, коллеги Ольги Павленко, например, профессор Коджиро Ирикура, один из крупнейших сейсмологов Японии, уверены, что уже полученные результаты необходимо учитывать при строительстве зданий в сейсмоопасных районах.