stringtranslate.com

шкала Рихтера

Шкала Рихтера [1] ( / ˈ r ɪ k t ər / ), также называемая шкалой магнитуд Рихтера , шкалой магнитуд Рихтера и шкалой Гутенберга–Рихтера , [2] является мерой силы землетрясений , разработанной Чарльзом Рихтером в сотрудничестве с Бено Гутенбергом , и представленной в знаковой статье Рихтера 1935 года, где он назвал ее «шкалой магнитуд». [3] Позднее она была пересмотрена и переименована в локальную шкалу магнитуд , обозначенную как ML или M L  . [4]

Из-за различных недостатков оригинальной шкалы M L   большинство сейсмологических органов теперь используют другие похожие шкалы, такие как шкала моментной магнитуды (M w  ), для сообщения о магнитудах землетрясений, но многие новостные СМИ по-прежнему ошибочно называют их магнитудами «Рихтера». Все шкалы магнитуд сохраняют логарифмический характер оригинала и масштабируются так, чтобы иметь примерно сопоставимые числовые значения (обычно в середине шкалы). Из-за дисперсии землетрясений важно понимать, что шкала Рихтера использует десятичные логарифмы просто для того, чтобы сделать измерения управляемыми (т. е. землетрясение магнитудой 3 имеет коэффициент 10³, тогда как землетрясение магнитудой 5 имеет коэффициент 10 5 и имеет показания сейсмометра в 100 раз больше). [5]

Магнитуда по шкале Рихтера

Магнитуда землетрясения по шкале Рихтера определяется логарифмом амплитуды волн , зарегистрированных сейсмографами. Поправки включены для компенсации разницы в расстоянии между различными сейсмографами и эпицентром землетрясения. Исходная формула: [6]

где A — максимальная экскурсия сейсмографа Вуда-Андерсона , эмпирическая функция A 0 зависит только от эпицентрального расстояния станции, . На практике показания со всех наблюдательных станций усредняются после корректировки с поправками, специфичными для станции, для получения   значения M L. [6]

Из-за логарифмической основы шкалы каждое целое число увеличения величины представляет десятикратное увеличение измеренной амплитуды. С точки зрения энергии каждое целое число увеличения соответствует увеличению примерно в 31,6 раза количества высвобождаемой энергии, а каждое увеличение на 0,2 соответствует примерно удвоению высвобождаемой энергии.

События с магнитудой более 4,5 достаточно сильны, чтобы быть зарегистрированными сейсмографом в любой точке мира, при условии, что его датчики не находятся в тени землетрясения . [7] [8] [9]

Ниже описаны типичные эффекты землетрясений различной магнитуды вблизи эпицентра. [10] Значения являются типичными и могут не быть точными в будущем событии, поскольку интенсивность и наземные эффекты зависят не только от магнитуды, но и от (1) расстояния до эпицентра, (2) глубины очага землетрясения под эпицентром, (3) местоположения эпицентра и (4) геологических условий .

( На основе документов Геологической службы США. ) [14]

Интенсивность и число погибших зависят от ряда факторов (глубины землетрясения, местоположения эпицентра, плотности населения и многих других) и могут существенно различаться.

Миллионы мелких землетрясений происходят каждый год по всему миру, что эквивалентно сотням каждый час каждый день. [15] С другой стороны, землетрясения магнитудой ≥8,0 происходят в среднем примерно раз в год. [15] Самым крупным зарегистрированным землетрясением было Великое чилийское землетрясение 22 мая 1960 года, магнитуда которого составила 9,5 по шкале моментных магнитуд . [16]

Сейсмолог Сьюзан Хаф предположила, что землетрясение магнитудой 10 может представлять собой очень приблизительный верхний предел того, на что способны тектонические зоны Земли, что может быть результатом крупнейшего известного непрерывного пояса разломов, разорвавшихся вместе (вдоль тихоокеанского побережья Америки). [17] Исследование в Университете Тохоку в Японии показало, что землетрясение магнитудой 10 теоретически возможно, если объединенные 3000 километров (1900 миль) разломов от Японского желоба до Курило-Камчатского желоба разорвутся вместе и сместятся на 60 метров (200 футов) (или если подобный крупномасштабный разрыв произойдет в другом месте). Такое землетрясение вызовет движение грунта в течение часа, а цунами ударит по берегам, пока земля все еще трясется, и если произойдет такое землетрясение, это, вероятно, будет событием, которое случается раз в 10 000 лет. [18]

Разработка

Чарльз Фрэнсис Рихтер (около 1970 г.)

До разработки шкалы магнитуд единственной мерой силы или «размера» землетрясения была субъективная оценка интенсивности сотрясений, наблюдаемых вблизи эпицентра землетрясения, классифицированная по различным шкалам сейсмической интенсивности, таким как шкала Росси-Фореля . («Размер» используется в смысле количества высвобождаемой энергии, а не размера области, затронутой сотрясением, хотя землетрясения с более высокой энергией, как правило, затрагивают более широкую область, в зависимости от местной геологии.) В 1883 году Джон Милн предположил, что сотрясения крупных землетрясений могут генерировать волны, обнаруживаемые по всему земному шару, а в 1899 году Э. фон Ребур Пашвиц наблюдал в Германии сейсмические волны, приписываемые землетрясению в Токио . [19] В 1920-х годах Гарри О. Вуд и Джон А. Андерсон разработали сейсмограф Вуда-Андерсона , один из первых практических приборов для регистрации сейсмических волн. [20] Затем Вуд построил под эгидой Калифорнийского технологического института и Института Карнеги сеть сейсмографов, простирающуюся по всей Южной Калифорнии . [21] Он также нанял молодого и неизвестного Чарльза Рихтера для измерения сейсмограмм и определения местоположения землетрясений, генерирующих сейсмические волны. [22]

В 1931 году Кию Вадати показал, как он измерил для нескольких сильных землетрясений в Японии амплитуду толчков, наблюдавшихся на разных расстояниях от эпицентра. Затем он построил логарифм амплитуды в зависимости от расстояния и нашел ряд кривых, которые показали грубую корреляцию с предполагаемыми магнитудами землетрясений. [23] Рихтер разрешил некоторые трудности с помощью этого метода [24] , а затем, используя данные, собранные его коллегой Бено Гутенбергом , он создал похожие кривые, подтвердив, что их можно использовать для сравнения относительных магнитуд различных землетрясений. [25]

Для создания практического метода назначения абсолютной меры магнитуды потребовались дополнительные разработки. Во-первых, чтобы охватить широкий диапазон возможных значений, Рихтер принял предложение Гутенберга о логарифмической шкале, где каждый шаг представляет десятикратное увеличение магнитуды, аналогично шкале магнитуд, используемой астрономами для яркости звезд . [26] Во-вторых, он хотел, чтобы нулевая магнитуда находилась около предела человеческого восприятия. [27] В-третьих, он указал сейсмограф Вуда-Андерсона в качестве стандартного прибора для получения сейсмограмм. Затем магнитуда была определена как «логарифм максимальной амплитуды следа, выраженной в микронах », измеренной на расстоянии 100 км (62 мили). Шкала была откалибрована путем определения толчка магнитудой 0 как такого, который производит (на расстоянии 100 км (62 мили)) максимальную амплитуду 1 микрон (1 мкм или 0,001 миллиметра) на сейсмограмме, записанной торсионным сейсмометром Вуда-Андерсона. [28] Наконец, Рихтер рассчитал таблицу поправок на расстояние, [29] в которой указано, что для расстояний менее 200 километров [30] затухание сильно зависит от структуры и свойств региональной геологии. [31]

Когда Рихтер представил полученную шкалу в 1935 году, он назвал ее (по предложению Гарри Вуда) просто шкалой «величин». [32] «Величина Рихтера», по-видимому, возникла, когда Перри Байерли сказал прессе, что шкала принадлежит Рихтеру и «должна именоваться таковой». [33] В 1956 году Гутенберг и Рихтер, все еще ссылаясь на «шкалу величин», обозначили ее как «локальную величину» с символом ML ,  чтобы отличить ее от двух других шкал, которые они разработали, шкал величин поверхностных волн ( MS ) и шкал величин объемных волн (MB ) . [34]

Подробности

Как определяется шкала магнитуды Рихтера: чем больше значение на логарифмической диаграмме, тем выше нанесенный ущерб.

Шкала Рихтера была определена в 1935 году для конкретных обстоятельств и инструментов; конкретные обстоятельства относятся к тому, что она была определена для Южной Калифорнии и «неявно включает в себя затухающие свойства коры и мантии Южной Калифорнии». [35] Конкретный используемый инструмент был бы насыщен сильными землетрясениями и неспособен регистрировать высокие значения. Шкала была заменена в 1970-х годах шкалой моментной магнитуды (MMS, символ M w  ); для землетрясений, адекватно измеренных шкалой Рихтера, числовые значения приблизительно одинаковы. Хотя значения, измеряемые для землетрясений сейчас, M w  , они часто сообщаются в прессе как значения Рихтера, даже для землетрясений магнитудой более 8, когда шкала Рихтера становится бессмысленной.

Шкалы Рихтера и MMS измеряют энергию, высвобождаемую землетрясением; другая шкала, шкала интенсивности Меркалли , классифицирует землетрясения по их последствиям : от обнаруживаемых приборами, но не заметных, до катастрофических. Энергия и последствия не обязательно сильно коррелируют; неглубокое землетрясение в густонаселенной местности с почвой определенных типов может иметь гораздо более сильное воздействие, чем гораздо более энергичное глубокое землетрясение в изолированной местности.

Несколько шкал исторически описывались как «шкала Рихтера», [ требуется ссылка ] , особенно локальная магнитуда M L   и шкала поверхностной волны M s   . Кроме того, магнитуда объемной волны , mb, и моментная магнитуда , M w  , сокращенно MMS, широко использовались в течение десятилетий. Несколько новых методов измерения магнитуды находятся на стадии разработки сейсмологами.

Все шкалы магнитуд были разработаны для получения численно схожих результатов. Эта цель была достигнута для M L  , M s  и M w  . [36] [37] Шкала mb дает несколько иные значения, чем другие шкалы. Причина стольких различных способов измерения одного и того же заключается в том, что на разных расстояниях, для разных глубин гипоцентра и для разных размеров землетрясений необходимо измерять амплитуды разных типов упругих волн.

M L   — это шкала, используемая для большинства землетрясений, зарегистрированных (десятки тысяч) местными и региональными сейсмологическими обсерваториями. Для крупных землетрясений по всему миру наиболее распространена шкала моментной магнитуды (MMS), хотя M s   также часто сообщается.

Сейсмический момент , M 0 , пропорционален площади разрыва, умноженной на средний сдвиг, произошедший при землетрясении, таким образом, он измеряет физический размер события. M w   выводится из него эмпирически как величина без единиц, просто число, предназначенное для соответствия шкале M s   . [38] Для получения M 0 требуется спектральный анализ  . Напротив, другие величины выводятся из простого измерения амплитуды точно определенной волны.

Все шкалы, за исключением M w  , насыщаются для крупных землетрясений, то есть они основаны на амплитудах волн, длина которых короче длины разрыва землетрясений. Эти короткие волны (высокочастотные волны) являются слишком коротким критерием для измерения масштаба события. Результирующий эффективный верхний предел измерения для M L   составляет около 7 и около 8,5 [39] для M s  . [40]

Разрабатываются новые методы, позволяющие избежать проблемы насыщения и быстро измерить магнитуды очень крупных землетрясений. Один из них основан на длиннопериодной P-волне; [41] Другой основан на недавно обнаруженной волне канала. [42]

Выделение энергии землетрясением [43] , которое тесно коррелирует с его разрушительной силой, масштабируется в 32 степени амплитуды сотрясений (см. Шкалу моментной величины для объяснения). Таким образом, разница в величине 1,0 эквивалентна множителю 31,6 ( ) в выделенной энергии; разница в величине 2,0 эквивалентна множителю 1000 ( ) в выделенной энергии. [44] Излученная упругая энергия лучше всего выводится путем интеграции излучаемого спектра, но оценка может быть основана на мб, поскольку большая часть энергии переносится высокочастотными волнами.

Эмпирические формулы величины

Эти формулы для магнитуды Рихтера являются альтернативой использованию таблиц корреляции Рихтера, основанных на стандартном сейсмическом событии Рихтера. В приведенных ниже формулах — эпицентральное расстояние в километрах , а — то же расстояние, представленное в градусах большого круга над уровнем моря .

Эмпирическая формула Лилли выглядит так:

где - амплитуда (максимальное смещение грунта) продольной волны в микрометрах (мкм) , измеренная при частоте 0,8 Гц.

Предложенная Ларом эмпирическая формула [45] выглядит следующим образом:

где
амплитуда сигнала сейсмографа в мм и
в км , для расстояний менее 200 км.

и

где в км , для расстояний от 200 км до 600 км.

Эмпирическая формула Быстричани ( 1958) для эпицентральных расстояний от 4° до 160° выглядит следующим образом: [46]

где
- длительность поверхностной волны в секундах, а
измеряется в градусах.
в основном находится между 5 и 8.

Эмпирическая формула Цумуры выглядит следующим образом: [47]

где
общая продолжительность колебания в секундах.
в основном принимает значения от 3 до 5.

Эмпирическая формула Цубои (Токийский университет) выглядит следующим образом:

где амплитуда в мкм .

Смотрите также

Примечания

  1. Kanamori 1978, стр. 411. Хаф (2007, стр. 122–126) довольно подробно обсуждает это имя.
  2. ^ Макфи, Джон (1998). Анналы прежнего мира . Фаррар, Штраус и Жиру. стр. 608.
  3. ^ Канамори 1978, с. 411; Рихтер 1935.
  4. Гутенберг и Рихтер 1956b, стр. 30.
  5. ^ "Проект Discovery 17: Порядки величины". www.stewartmath.com . Получено 24 февраля 2022 г. .
  6. ^ ab Ellsworth, William L. (1991). "Шкала Рихтера ML". В Wallace, Robert E. (ред.). Система разломов Сан-Андреас, Калифорния . USGS. стр. 177. Профессиональная статья 1515. Архивировано из оригинала 25 апреля 2016 г. Получено 14 сентября 2008 г.
  7. ^ Браш, Стивен Г. (сентябрь 1980 г.). «Открытие ядра Земли». American Journal of Physics . 48 (9): 705–724. doi :10.1119/1.12026. ISSN  0002-9505.
  8. ^ Майкл Аллаби (2008). Словарь наук о Земле (3-е изд.). Оксфорд. ISBN 978-0-19-921194-4. OCLC  177509121.{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
  9. ^ Эйнарссон, П. (сентябрь 1978 г.). «Тени S-волн в кальдере Крафла на северо-востоке Исландии, свидетельство магматического очага в коре». Bulletin Volcanologique . 41 (3): 187–195. doi :10.1007/bf02597222. hdl : 20.500.11815/4200 . ISSN  0258-8900.
  10. ^ "Что такое шкала магнитуд Рихтера?". GNS Science . Архивировано из оригинала 3 августа 2021 г. Получено 3 августа 2021 г.
  11. ^ "Сравнение магнитуды/интенсивности". Архивировано из оригинала 23 июня 2011 г.
  12. ^ Это то, что Рихтер написал в своей «Элементарной сейсмологии» (1958), мнение, которое впоследствии было многократно воспроизведено в учебниках по земным наукам. Недавние данные показывают, что землетрясения с отрицательными магнитудами (до −0,7) также могут ощущаться в исключительных случаях, особенно когда очаг находится на очень небольшой глубине (несколько сотен метров). См.: Thouvenot, F.; Bouchon, M. (2008). «Каков минимальный порог магнитуды, при котором можно почувствовать или услышать землетрясение или подбросить предметы в воздух?» в Fréchet, J., Meghraoui, M. & Stucchi, M. (ред.), Modern Approaches in Solid Earth Sciences (т. 2), Historical Seismology: Interdisciplinary Studies of Past and Recent Earthquakes, Springer, Dordrecht, 313–326.
  13. ^ Маккаффри, Р. (2008). «Глобальная частота землетрясений магнитудой 9». Геология . 36 (3): 263–266. doi :10.1130/G24402A.1.
  14. ^ "Факты и статистика землетрясений". Геологическая служба США. 29 ноября 2012 г. Архивировано из оригинала 24 мая 2010 г. Получено 18 декабря 2013 г.
  15. ^ ab «Как часто происходят землетрясения» (PDF) .
  16. ^ "Крупнейшие землетрясения в мире с 1900 года". 30 ноября 2012 г. Архивировано из оригинала 7 октября 2009 г. Получено 18 декабря 2013 г.
  17. ^ Сильвер, Нейт (2013). Сигнал и шум: искусство и наука предсказания . Лондон: Penguin. ISBN 9780141975658.
  18. Kyodo (15 декабря 2012 г.). «Может произойти землетрясение магнитудой 10: исследование». The Japan Times . Получено 15 сентября 2020 г.
  19. Болт 1993, стр. 47.
  20. ^ Хаф 2007;
  21. Хаф 2007, стр. 57.
  22. Хаф 2007, стр. 57, 116.
  23. Рихтер 1935, стр. 2.
  24. Рихтер 1935, стр. 1–5.
  25. Рихтер 1935, стр. 2–3.
  26. ^ [ожидается]
  27. Рихтер 1935, стр. 14: Гутенберг и Рихтер 1936, стр. 183.
  28. Richter 1935, стр. 5. См. также Hutton & Boore 1987, стр. 1; Chung & Bernreuter 1980, стр. 10.
  29. Рихтер 1935, стр. 6, Таблица I.
  30. Рихтер 1935, стр. 32.
  31. ^ Чунг и Бернройтер 1980, с. 5.
  32. Рихтер 1935, стр. 1. Его статья называется: «Инструментальная шкала магнитуды землетрясений».
  33. Хаф 2007, стр. 123–124.
  34. Гутенберг и Рихтер 1956b, стр. 30.
  35. ^ «Пояснение списков бюллетеней, USGS».
  36. Рихтер 1935.
  37. ^ Рихтер, К. Ф., «Элементарная сейсмология», ред., т., WH Freeman and Co., Сан-Франциско, 1956.
  38. ^ Хэнкс, TC; Канамори, H. (1979). "Шкала моментной величины". Журнал геофизических исследований . 84 (B5): 2348. Bibcode : 1979JGR....84.2348H. doi : 10.1029/jb084ib05p02348.
  39. ^ Woo, Wang-chun (сентябрь 2012 г.). «О магнитудах землетрясений». Гонконгская обсерватория. Архивировано из оригинала 24 мая 2017 г. Получено 18 декабря 2013 г.
  40. ^ "Шкала Рихтера". Глоссарий . USGS . 31 марта 2010 г.
  41. ^ Ди Джакомо, Д., Паролай, С., Саул, Дж., Гроссер, Х., Борман, П., Ван, Р. и Цшау, Дж., 2008. «Быстрое определение энергетической величины Me», на 31-й Генеральной ассамблее Европейской сейсмологической комиссии, Херсонес.
  42. ^ Ривера, Л. и Канамори, Х., 2008. «Быстрая инверсия источника W-фазы для предупреждения о цунами», Генеральная ассамблея Европейского геофизического союза, стр. A-06228, Вена.
  43. ^ Василиу, Мариус; Канамори, Хироо (1982). «Высвобождение энергии при землетрясениях». Бык. Сейсмол. Соц. Являюсь . 72 : 371–387.
  44. ^ Спенс, Уильям; Сипкин, Стюарт А.; Чой, Джордж Л. (1989). «Измерение размера землетрясения». Землетрясения и вулканы . 21 (1).
  45. ^ Lahr, JC (1980). HYPOELLIPSE: Компьютерная программа для определения параметров гипоцентра локального землетрясения, магнитуды и модели первого движения. Отчет Геологической службы США в открытом файле (Отчет). Том 80–59.
  46. ^ аль-Арифи, Насир С.; аль-Хумидан, Саад (июль 2012 г.). «Местная и региональная калибровка магнитуды землетрясений аналоговой подсети Табука на северо-западе Саудовской Аравии». Журнал Университета короля Сауда – Наука . 24 (3): 257–263. дои : 10.1016/j.jksus.2011.04.001 .
  47. ^ Аль-Арифи, Насир С.; Аль-Хумидан, Саад (июль 2012 г.). «Местная и региональная калибровка магнитуды землетрясений аналоговой подсети Табука на северо-западе Саудовской Аравии». Журнал Университета короля Сауда – Наука . 24 (3): 257–263. дои : 10.1016/j.jksus.2011.04.001 .

Источники

  • Болт, BA (1993), Землетрясения и геологические открытия , Scientific American Library, ISBN 0-7167-5040-6.
  • Boore, DM (сентябрь 1989), «Шкала Рихтера: ее развитие и использование для определения параметров источника землетрясений» (PDF) , Tectonophysics , 166 (1–3): 1–14, doi :10.1016/0040-1951(89)90200-x
  • Чанг, Д.Х.; Бернройтер, Д.Л. (1980), Региональные соотношения между шкалами магнитуды землетрясений., NUREG/CR-1457.
  • Гутенберг, Б.; Рихтер, К. Ф. (21 февраля 1936 г.), «Обсуждение: Магнитуда и энергия землетрясений», Science , 83 (2147): 183–185, Bibcode : 1936Sci....83..183G, doi : 10.1126/science.83.2147.183, PMID  17770563.
  • Гутенберг, Б.; Рихтер, К. Ф. (1956b), «Масштаб землетрясения, интенсивность, энергия и ускорение (вторая статья)», Бюллетень сейсмологического общества Америки , 46 (2): 105–145.
  • Хаф, С.Э. (2007), Шкала Рихтера: мера землетрясения, мера человека, Princeton University Press, ISBN 978-0-691-12807-8.
  • Хаттон, Л.К.; Бур, Дэвид М. (декабрь 1987 г.), «Шкала ML в Южной Калифорнии» (PDF) , Nature , 271 : 411–414, Bibcode : 1978Natur.271..411K, doi : 10.1038/271411a0.
  • Канамори, Хироо (2 февраля 1978 г.), «Количественная оценка землетрясений» (PDF) , Nature , 271 (5644): 411–414, Бибкод : 1978Natur.271..411K, doi : 10.1038/271411a0.
  • Richter, CF (январь 1935 г.), «Инструментальная шкала магнитуды землетрясений» (PDF) , Бюллетень сейсмологического общества Америки , 25 (1): 1–32, архивировано из оригинала (PDF) 10 июля 2018 г. , извлечено 14 марта 2018 г..

Внешние ссылки