Οι επιστήμονες πυροδοτούν μίνι-σεισμούς στο εργαστήριο

Η «έκρηξη της Βηρυτού» της 4ης Αυγούστου 2020 θεωρείται μια από τις πιο ισχυρές τεχνητές μη πυρηνικές εκρήξεις στην ιστορία. Ήταν ισοδύναμη με περίπου 1,1 κιλοτόνους TNT και προκάλεσε σεισμό M3.3. [Φωτογραφία-davitoqro].

Οι σεισμοί και οι κατολισθήσεις είναι περίφημα δύσκολο να προβλεφθούν και να προετοιμαστούν. Μελετώντας μια μινιατούρα του εδάφους στο εργαστήριο, επιστήμονες στο Ινστιτούτο Φυσικής UvA απέδειξαν πώς αυτά τα γεγονότα μπορούν να πυροδοτηθούν από ένα μικρό εξωτερικό κρουστικό κύμα. Αυτό σε μια συσκευή επίπλευσης: σημαίνει ότι το έδαφος μετατρέπεται για λίγο σε υγρό.

Σε αντίθεση με ένα πραγματικό στερεό, το έδαφος στο οποίο στεκόμαστε είναι γενικά κατασκευασμένο από κόκκους άμμου ή κομμάτια βράχου. Πιο βαθιά στον φλοιό της Γης, το ίδιο ισχύει για τις γραμμές ρηγμάτων όπου συναντώνται δύο τεκτονικές πλάκες. Αυτοί οι τύποι διαταραγμένων κοκκωδών υλικών δεν είναι ποτέ πλήρως σταθεροί. Και όταν αποτύχουν, μπορεί να έχει καταστροφικές συνέπειες για εμάς, που ζούμε στην επιφάνεια της Γης.

Το πρόβλημα δεν είναι εύκολο, να προβλέψουμε ή να ελέγξουμε πότε ακριβώς οι δυνάμεις τριβής που αντιστέκονται σε κατολίσθηση ή σεισμό θα πάψουν να είναι αρκετές για να κρατήσουν το έδαφος στη θέση του.

Αναπαραγωγή σεισμού

Ευτυχώς, η φυσική λειτουργεί ακριβώς το ίδιο σε μικρότερα συστήματα που μπορείτε να μελετήσετε στο εργαστήριο. Για να αναπαραγάγουν έναν σεισμό, οι φυσικοί Kasra Farain και Daniel Bonn του Πανεπιστημίου του Άμστερνταμ χρησιμοποίησαν ένα στρώμα πάχους 1 χιλιοστό από μικροσκοπικές σφαίρες που έχουν το πλάτος μιας ανθρώπινης τρίχας.

Η πειραματική τους διάταξη τους επέτρεψε να παρακολουθούν με ακρίβεια την απόκριση των κόκκων στις εξωτερικές δυνάμεις. Για να προσομοιώσουν τις δυνάμεις που θα υπήρχαν σε μια απότομη πλαγιά βουνού ή σε ένα τεκτονικό ρήγμα, πίεσαν έναν δίσκο στην επιφάνεια και τον περιστρέφουν αργά με σταθερή ταχύτητα. Αναπηδώντας στη συνέχεια μια μπάλα δίπλα στο πειραματικό στήσιμο, προκαλώντας ένα μικρό σεισμικό κύμα, είδαν πώς όλοι οι κόκκοι μετατοπίστηκαν γρήγορα ως απάντηση: είχαν προκαλέσει έναν μικροσκοπικό σεισμό.

«Βρήκαμε ότι μια πολύ μικρή διαταραχή, ένα μικρό σεισμικό κύμα, είναι ικανό να αναγκάσει ένα κοκκώδες υλικό να αναδιαρθρωθεί πλήρως», εξηγεί ο Farain. Περαιτέρω εξέταση αποκάλυψε ότι για μια σύντομη στιγμή, οι κόκκοι συμπεριφέρονται σαν υγρό παρά σαν στερεό. Αφού περάσει το κύμα ενεργοποίησης, η τριβή κυριαρχεί για άλλη μια φορά και οι κόκκοι μπλοκάρουν ξανά, σε νέα διαμόρφωση.

Πειραματική εγκατάσταση και υπέρβαση της τάσης από την έναρξη των κοκκωδών ροών. (Α) Χρησιμοποιούμε ένα ροόμετρο για να περιστρέψουμε έναν κυλινδρικό σωλήνα που στηρίζεται σε ένα κοκκώδες στρώμα γύρω από τον άξονα συμμετρίας του. Το ένθετο δείχνει μια εικόνα των μικροσφαιρών που λήφθηκε από ένα οπτικό προφίλόμετρο Keyence. (Β) Το κοκκώδες υλικό ξεκινά από μια τυχαία διαμόρφωση βάσης (κάτω αριστερά ένθετο). Η εφαρμογή σταθερού ρυθμού διάτμησης αναγκάζει να αρχίσει να ρέει. Μετά από μια ευρεία υπέρβαση συνεχούς τάσης, φτάνει σε σταθερή κατάσταση με ευθυγραμμισμένη διαμόρφωση (επάνω δεξιά ένθετο). Από Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adi7302

Το ίδιο συμβαίνει και σε πραγματικά σεισμικά γεγονότα. "Οι σεισμοί και τα τεκτονικά φαινόμενα ακολουθούν νόμους αμετάβλητους σε κλίμακα, επομένως τα ευρήματα από τη διάταξη τριβής μας σε εργαστηριακή κλίμακα είναι σχετικά για την κατανόηση απομακρυσμένων σεισμών που προκαλούνται από σεισμικά κύματα σε πολύ μεγαλύτερης κλίμακας ρήγματα στον φλοιό της Γης", λέει ο Farain.

Στην εργασία τους , που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Science Advances , οι ερευνητές δείχνουν ότι το μαθηματικό μοντέλο που συνήγαγαν από τα πειράματά τους εξηγεί ποσοτικά πώς ο σεισμός των Landers του 1992 στη Νότια Καλιφόρνια προκάλεσε εξ αποστάσεως ένα δεύτερο σεισμικό γεγονός, 415 χιλιόμετρα βόρεια. Επιπλέον, δείχνουν ότι το μοντέλο τους περιγράφει με ακρίβεια την αύξηση της πίεσης του ρευστού που παρατηρήθηκε στη ζώνη βύθισης Nankai κοντά στην Ιαπωνία μετά από μια σειρά μικρών σεισμών το 2003.

Εμπνευσμένο από ένα ασταθές τραπέζι

Είναι ενδιαφέρον ότι ολόκληρο αυτό το ερευνητικό έργο μπορεί να μην είχε πραγματοποιηθεί αν δεν ήταν οι συνάδελφοι του Farain. "Αρχικά, η πειραματική μου διάταξη ήταν απλώς σε ένα κανονικό τραπέζι, χωρίς όλη την φανταχτερή απομόνωση κραδασμών που απαιτούνταν για ακριβείς μετρήσεις. Αρκετά σύντομα, συνειδητοποίησα ότι απλά πράγματα όπως κάποιος περνούσε από δίπλα ή το κλείσιμο της πόρτας θα μπορούσαν να επηρεάσουν το πείραμα. Πρέπει να ενοχλούα λίγο τους συναδέλφους μου, ζητώντας πάντα πιο ήσυχα βήματα ή πιο ήπιο κλείσιμο των θυρών».

Εμπνευσμένος από το πώς οι κινήσεις των συναδέλφων του διέκοψαν το setup του, ο Farain άρχισε να ερευνά τη φυσική στη δουλειά. "Μετά από κάποιο χρονικό διάστημα, αναβάθμισα σε ένα κατάλληλο οπτικό τραπέζι για τη ρύθμιση και οι άνθρωποι μπορούσαν να πηδήξουν ή να κάνουν ό,τι ήθελαν χωρίς να διαταράξουν τη δουλειά μου. Αλλά, πιστός στις ταραχοποιητικές μου τάσεις, δεν ήταν το τέλος. Λίγο ενώ αργότερα, επέστρεψα στο εργαστήριο με ένα μεγάφωνο για να δημιουργήσω θόρυβο και να δω τα αποτελέσματα των ελεγχόμενων διαταραχών».

Γεωδίφης με πληροφορίες από το Πανεπιστήμιο του Άμστερνταμ

περισσότερα,

https://phys.org/news/2024-04-scientists-trigger-mini-earthquakes-lab.html