Почти все, что сегодня известно о строении нашей планеты, о ее недрах и о тех процессах, которые в этих недрах происходят, мы знаем благодаря сейсмологии — науке о землетрясениях. Изучая записи сейсмических волн, ученые смогли буквально заглянуть вглубь Земли и рассмотреть рельеф слоев, из которых состоит наша планета, узнать о местоположении внешнего и внутреннего ядра, провести границы между подошвой земной коры, верхней и нижней мантией. Но все это было бы невозможно без специальных приборов, регистрирующих сейсмические волны, — сейсмографов.
Кто изобрел сейсмограф? И как изучение землетрясений помогло ученым узнать о строении нашей планеты?
Кувшин для опроса ветра
Самый первый в мире прибор, который регистрировал колебания земли и позволял узнать, в какой стороне света находится очаг землетрясения, был изобретен в Китае в начале II века нашей эры. Его создал выдающийся китайский философ, математик, астроном и поэт — образованнейший человек своего времени Чжан Хэн. Он состоял на государственной службе, был советником по культуре и просвещению, занимал пост придворного историографа-астронома, совершил несколько научных открытий.
В 132 году Чжан Хэн представил суду императорской династии Хань изобретенный им прибор, который назывался «Хоуфэн дидун и» — «Прибор для опроса ветра на предмет сотрясения земли».
Это был огромный, почти два метра в диаметре, бронзовый кувшин. На внешней стороне сосуда были расположены восемь драконов, каждый держал в пасти бронзовый шарик. Драконы были сориентированы по восьми сторонам света: север, юг, восток, запад, север-восток, северо-запад, юго-восток и юго-запад. А вокруг кувшина, под каждым из драконов, сидели восемь лягушек с открытыми ртами. В центре сосуда находился некий маятниковый механизм с системой рычагов. Когда происходило землетрясение, маятник начинал раскачиваться, система рычагов приходила в движение, выбивала из пасти одного дракона бронзовый шарик, и тот падал в открытый рот лягушки. Дракон и лягушка указывали направление, где произошло землетрясение.
Говорят, что поначалу прибор Чжан Хэна не произвел никакого впечатления. Пока однажды ко двору императора не прибыл гонец с вестью, что несколько дней назад в сотнях километрах от столицы империи — города Лояна — произошло серьезное землетрясение. Самым удивительным было то, что прибор Чжан Хэна зафиксировал факт и точно определил направление, хотя в самом Лояне никто не почувствовал даже слабых отголосков землетрясения.
Услышать «дрожь земли»
В Европе, которую трясло ничуть не меньше, чем Азию, изучать землетрясения начали только в середине XIX века. Первыми, кто догадался, как можно услышать и зарегистрировать «дрожь земли», были итальянцы.
В 1855 году профессор физики Неаполитанского университета и директор метеорологической обсерватории на Везувии Луиджи Пальмиери изобрел прибор, который регистрировал колебания земли и точное время начала толчков. Этот прибор состоял из неподвижной платформы, маятника, подвешенного на кронштейне, сосуда с ртутью и часов. Платформа принимала на себя колебания земли, маятник начинал раскачиваться, приходя в движение, он опрокидывал чашу с ртутью, ртуть проливалась в специальный контейнер, который останавливал часы.
Через 20 лет другой итальянский ученый Филиппо Секи усовершенствовал сейсмоскоп Пальмиери. Разница состояла в том, что первый толчок землетрясения и первое колебание маятника не останавливало, а включало часы. И это давало возможность узнать о продолжительности землетрясения.
Изобретения итальянских ученых дали толчок к развитию сейсмологии во всем мире. В модернизации сейсмографов принимали участие ученые и инженеры самых разных стран. Самым удачным был вариант механического сейсмографа, созданный британским геологом Джоном Милном. К началу XX века сейсмографами Милна были оборудованы 40 сейсмостанций Европы, объединенные в одну международную сеть.
Устроены эти первые сейсмографы были очень просто: неподвижная платформа, подвешенная на пружине гиря с закрепленным на конце пером, закопченая пластина или бумага. Колебания земли передавались неподвижной платформе, маятник начинал раскачиваться, прикрепленное к гире перо процарапывало след на закопченой пластине. Чем сильнее были колебания земли, тем больше амплитуда маятника и, соответственно, тем шире сейсмограмма.
Механические сейсмографы были одновременно и сейсмометрами, то есть приборами, реагирующими на колебания, и регистрами, которые эти колебания записывают. Но они обладали рядом недостатков.
Самым существенным было то, что перо, в соответствии с третьим законом Ньютона, своим трением о бумагу тормозило раскачивание маятника. Чтобы уменьшить влияние силы трения, необходимо было увеличить массу маятника. В результате сейсмографы превращались в гигантские сооружения. Например, сейсмограф, которым была оборудована сейсмическая станция Гёттингена, был семиметровой высоты и имел маятник массой около 2 т. И это был еще не предел, в некоторых сейсмографах масса маятника превышала 10 т.
Кроме того, механические сейсмографы «слышали» колебания только от землетрясений, произошедших поблизости.
Русский князь-изобретатель
В 1906 году — ровно 120 лет тому назад — в распоряжении сейсмологов наконец-то появился достаточно чувствительный и очень точный сейсмограф, который позволял регистрировать сигналы от удаленных землетрясений. Его изобрел директор Физического кабинета Петербургской Академии наук и основатель отечественной сейсмологии князь Борис Борисович Голицын.
Голицын закончил физико-математический факультет Страсбургского университета. Главной сферой его научных интересов и темой научных работ была электродинамика. Геофизикой он увлекся в 1896 году после экспедиции на Новую Землю, куда он поехал наблюдать полное солнечное затмение вместе с директором Пулковской обсерватории Оскаром Баклундом.
Кстати, здесь же, при Пулковской астрономической обсерватории, в 1906 году Голицын создаст и возглавит первую Российскую опытную сейсмостанцию. Но сначала он совершит настоящую революцию в сейсмологии: разработает принципиально новый метод регистрации сейсмических колебаний.
К созданию своего сейсмографа, позволяющего преобразовывать механические колебания в электрические импульсы, Голицын приступил сразу же по возвращении из арктической экспедиции. И уже к 1902 году очертания новой системы были вчерне готовы. Она получила название: сейсмограф с гальванометрической регистрацией.
На доработки системы ушло еще четыре года. В 1906 году Голицын представил научному сообществу электромагнитный сейсмограф, который регистрировал даже слабые и очень далекие землетрясения, определял эпицентр и направление движения сейсмических волн, что позволяло получить полную картину землетрясения.
Как был устроен этот прибор?
Маятник был закреплен на пружине, точно так же как и в механических сейсмографах, но к нему были прикреплены индукционные катушки, а по обе стороны от маятника — неподвижные магниты. Таким образом, маятник с индукционными катушками находился в постоянном магнитном поле. Когда возникали колебания земли и маятник приходил в движение, в катушках, в полном соответствии с законами электромагнитной индукции, возникал электрический ток. Сила тока зависела от скорости вибраций земной коры. Для измерения силы тока и фиксации колебаний Голицын использовал зеркальный гальванометр. Запись велась отраженным от зеркала лучом света по фотобумаге.
Очень важным преимуществом данной системы было то, что механические колебания, преобразованные в электрические сигналы, можно было не только принимать и фиксировать, но и передавать на любое расстояние. Для синхронной работы сети сейсмологических станций это было бесценно.
Прибор Голицына был не просто уникальным. Он был лучшим в мире для того времени и оставался таковым на протяжении полувека, до появления первых цифровых сейсмостанций. А принцип электромагнитной фиксации сейсмических волн, изобретенный Голицыным, используется и сегодня.
Сейсмографами Голицына были оснащены не только все российские сейсмостанции, но и большинство зарубежных — от Европы до США. Это изобретение сделало Россию лидером в области создания сейсмологической аппаратуры и могло бы обеспечить ее приоритет, но князь Голицын отказался получать патент. Более того, он предоставлял чертежи и подробное описание своего устройства любому заинтересованному специалисту и убеждал производить как можно больше сейсмографов.
В последующие годы Борис Борисович Голицын продолжал совершенствовать сейсмическую аппаратуру, изобретал новые типы сейсмографов. Еще он развивал методы обработки и анализа сейсмических записей, занимался расчетами истинных смещений почвы и разработкой теории сейсмологии, используя при этом «инструменты» классической физики: теорию упругости, механику разрушения твердых сред, количественные физико-математические построения.
Именно эти исследования Голицына и, конечно же, его уникальные сейсмографы помогли ученым заглянуть внутрь нашей планеты.
Электромагнитный сейсмограф, изобретенный князем Борисом Голицыным Фото IPQuorum
А волны бушуют и плачут
В своей книге «Лекции о сейсмологии Борис Борисович Голицын писал: «Можно уподобить всякое землетрясение фонарю, который зажигается на короткое время и освещает нам внутренность Земли, позволяя рассмотреть, что там происходит».
Землетрясение — это подземные толчки, которые вызывают колебания земной поверхности. Колебания — это упругие волны, которые называют сейсмическими. Они зарождаются в очаге землетрясения и расходятся, как круги по воде от брошенного камня. При этом они вовлекают в колебательный процесс огромные площади и преодолевают большие расстояния.
Первыми расходятся упругие продольные Р-волны (от лат. prima — «первичные»). Их еще называют волнами расширений и сжатий. Следом за ними идет серия более медленных поперечных S-волн. Их название связано с английским термином «shear waves», что означает сдвиговая волна.
Продольные волны проходят через все среды, поперечные не распространяются в жидкостях и газах.
В толще Земли сейсмические волны проходят сквозь разные слои. Встречая на своем пути препятствия, они могут отражаться, как звуковая волна, которая натыкается на стену. Могут преломляться, как луч света при переходе из одной среды в другую. При этом их скорость в разных средах различна.
Анализируя скорость распространения преломленных и отраженных сейсмических волн, ученые обнаружили, что они движутся так, словно им приходится преодолевать разные слои и разные среды, следовательно, наша Земля не является монолитным шаром. А «слепые пятна», которые возникали на пути следования поперечных волн, позволили выявить границы перехода вещества из твердого в жидкое состояние. Именно так было открыто наличие жидкого внешнего слоя ядра Земли.
Благодаря сейсмографам Голицына уже в 1906 году геофизики разных стран мира получили в свое распоряжение сейсмограммы далеких землетрясений, что позволило начать изучение глубинного строения планеты. Эти исследования ведутся до сих пор. И хотя за прошедшие 120 лет появилась более сложная, более точная и более чуткая сейсмическая аппаратура, наша Земля не торопится открыть все свои тайны.
Автор: Марина Собе-Панек
