Землетрясение в пробирке: как песчинки открывают тайны земных недр

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com
| Рассуждения | Оффтопик

В нашем воображении землетрясение — это колоссальный катаклизм, сотрясающий горы и разрывающий земную кору. Но что, если ключ к пониманию этих грозных явлений кроется в горстке песчинок? Ученые из Амстердамского университета решили взглянуть на проблему под микроскопом, погрузившись в удивительный мир гранулированных материалов. И то, что они обнаружили, заставляет нас по-новому взглянуть на земную твердь, которая, как оказалось, может быть куда более текучей, чем мы думали.

Автор: Designer

Представьте себе: миллионы крошечных сфер, каждая размером с волос, уложены тонким слоем. Это не просто детская забава — это точная модель земной коры в миниатюре. С помощью специальных приборов ученые моделируют давление, которое испытывает грунт на крутом склоне или в зоне тектонического разлома. И тут происходит самое интересное: легкий толчок, имитирующий сейсмическую волну, приводит к тому, что вся эта песчаная масса мгновенно перестраивается, словно жидкость. Наблюдая за этим процессом, исследователи словно заглядывают в самое сердце землетрясения.

Экспериментальная установка и выброс напряжений при наступлении зернистых потоков. (A) Мы используем реометр для вращения цилиндрической трубки, которая опирается на зернистый слой вокруг своей оси симметрии. Реометр может прикладывать к материалу либо крутящий момент, либо скорость вращения, одновременно измеряя другой момент в качестве отклика гранулированной среды. На врезке показано изображение микросфер, полученное оптическим профилометром Keyence. (B) Гранулированный материал начинается со случайной конфигурации остатка (внизу слева на врезке). Применение постоянной скорости сдвига приводит к тому, что он начинает течь. После широкого непрерывного превышения напряжения он приходит в устойчивое состояние с выровненной конфигурацией (вверху справа).
Автор: Kasra Farain, Daniel Bonn, Perturbation-induced granular fluidization as a model for remote earthquake triggering.Sci. Adv.10,eadi7302(2024). DOI:10.1126/sciadv.adi7302(CC-BY 4.0) Источник: www.science.org

Оказывается, гранулированные материалы, такие как песок или почва, обладают уникальной особенностью: они находятся в постоянном поиске равновесия. Силы трения удерживают их в стабильном состоянии, но любое внешнее воздействие может нарушить этот хрупкий баланс. В этот момент гранулы на мгновение теряют свою твердость, превращаясь в подобие жидкости, а затем снова застывают в новой конфигурации. Этот феномен, наблюдаемый в лаборатории, объясняет, как даже слабые толчки могут спровоцировать масштабные землетрясения и оползни.

Реакция гранулярного разлома лабораторного масштаба при постоянной скорости сдвига на импульсное возмущение. (A) Сопротивление трению зернистой границы раздела в зависимости от времени. Импульсные возмущения двух различных амплитуд применяются в моменты времени, обозначенные стрелками от 1 до 4. После каждого импульсного возмущения гранулярное трение быстро падает, за чем следует медленный переходный выброс до того, как система перейдет в стационарное состояние. (B) Импульсные возмущения большой и меньшей амплитуды (сдвинутые в начало при t = 0), зарегистрированные пьезопреобразователем. Цвета соответствуют цветам стрелок на рисунке (А). (C) Увеличенное изображение четвертого приложенного возмущения (правая ось), обозначенного красной стрелкой на рисунке (A), вместе с последующим падением трения и эволюцией (левая ось). Черная пунктирная линия указывает на установившееся трение. Примерно через ~1,3 с после импульса возмущения сила трения меньше ее установившегося значения. Это время увеличивается с уменьшением скорости скольжения. (D) Минимальное трение, испытываемое зернистой системой после импульса возмущения, как в случае с падением трения в (A), в зависимости от амплитуды импульса (показания в милливольтах на пьезоэлементе) в серии измерений, проведенных на гранулированном материале из ПММА.
Автор: Kasra Farain, Daniel Bonn, Perturbation-induced granular fluidization as a model for remote earthquake triggering.Sci. Adv.10,eadi7302(2024). DOI:10.1126/sciadv.adi7302 (CC-BY 4.0) Источник: www.science.org

Но что это значит для нас, живущих на поверхности этой «текучей» земли? Во-первых, это открытие помогает ученым лучше прогнозировать сейсмическую активность. Разработанная ими математическая модель, основанная на экспериментах с песчинками, успешно объяснила механизмы нескольких реальных землетрясений, включая события в Южной Калифорнии и Японии. Во-вторых, понимание «жидкой» природы грунта позволяет разрабатывать более эффективные методы строительства в сейсмоопасных зонах.

Типичные реакции зернистого разлома при различных поперечных силах Σ на импульсные возмущения различной интенсивности.
Автор: Kasra Farain, Daniel Bonn, Perturbation-induced granular fluidization as a model for remote earthquake triggering.Sci. Adv.10,eadi7302(2024). DOI:10.1126/sciadv.adi7302 (CC-BY 4.0) Источник: www.science.org

Ирония заключается в том, что это открытие было сделано благодаря… шаткому столу. Первоначальная установка, чувствительная к малейшим вибрациям, подтолкнула ученых к изучению влияния внешних воздействий на гранулированные материалы. То, что начиналось как досадная помеха, превратилось в революционное открытие, позволяющее нам заглянуть в самые глубины земных процессов.

Таким образом, песчинки, кажущиеся такими простыми и обыденными, открывают нам удивительный мир, где твердое становится текучим, а незначительные толчки — предвестниками грандиозных катаклизмов. И кто знает, какие еще тайны скрываются в этих маленьких частицах, ожидающих своего часа, чтобы быть раскрытыми пытливым умом исследователя.

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Shulz Easy Fat: изучаем складной городской велосипед с «нотками» бездорожья

Питерский производитель велосипедов, компания Shulz, в этом году по традиции капитально обновила свою линейку, улучшив уже существующие модели. И представив совершенно новые аппараты. Среди...

Что скрывается внутри чёрной дыры? Новая модель объясняет энтропию на микроуровне

Черные дыры, эти космические монстры, поглощающие всё, что попадает в их гравитационные объятия, долгое время оставались загадкой для ученых. Одна из самых интригующих тайн — энтропия...

6 вариантов, где можно хранить накопившиеся за всю жизнь фото и видео. Плюсы и минусы каждого

В наше время каждый человек создает и накапливает огромное количество данных за свою жизнь, это особенно актуально в последние годы, когда качество камер в смартфонах значительно улучшилось, и...

Как на заводе АвтоВАЗ проверяют собранные автомобили сходящие с конвейера. Проверено брусчаткой и белыми перчатками

Сразу после сборки автомобиля на конвейере АвтоВАЗа он попадает на линию проверки прочности. Данный этап можно разделить на несколько циклов: от подготовительного, до заключительного, когда...