Занимательное волноведение. Волнения и колебания вокруг нас - Гэвин Претор-Пинней

Разветвленная сеть сейсмографов позволяет провести «медицинский осмотр» планеты. Как поглощение и рассеяние ультразвуковых волн, пропускаемых через матку, позволяет увидеть еще не родившегося ребенка, так волны от сейсмических толчков землетрясения позволяют увидеть нутро матушки-Земли.

Вот мы тут рассуждаем о сейсмических волнах, а ведь чуть не забыли о самом главном (по крайней мере, для нас) их свойстве: сейсмические волны способны вызывать на поверхности земли ужасающие разрушения. Но повинны в разрушениях не столько упругие волны, сколько поверхностные волны. Само их название подсказывает — они распространяются вдоль поверхности Земли. Поверхностные волны берут начало от эпицентра землетрясения и проходят через твердую земную кору, не затрагивая более глубокие слои. Их скорость чуть ниже скорости S-волн; собственно, это третий тип регистрируемых сейсмографами волн.

Поверхностные волны подразделяются на два вида: волны Лява и волны Рэлея, названные по именам ученых, описавших их математически. Волны Лява колеблют земную поверхность горизонтально — из стороны в сторону относительно направления распространения волны. Волны Рэлея, наоборот, перекатываются вверх-вниз; земля при этом перемещается по траектории овала, что роднит волны Рэлея с волнами океаническими.[42]

Поверхностные волны, распространяясь вдоль земной коры, причиняют разрушения более серьезные, нежели упругие волны. Поверхностные волны, колеблющие землю из стороны в сторону, называются волнами Лява, а те, что перекатываются вверх-вниз — волнами Рэлея

Сходство волн Рэлея и морских волн было подмечено одним из очевидцев землетрясения 1886 года в городе Чарльстон, штат Южная Каролина:

Величина поверхностных волн, а следовательно, и разрушительная сила землетрясения, зависит не только от амплитуды колебаний, но и от глубины положения их центра. Сильное землетрясение на глубине более 300 км породит лишь незначительные поверхностные волны по сравнению с землетрясением у поверхности земли. Центр ужасающего землетрясения в 7 баллов, произошедшего в январе 2010 года на Гаити и до основания разметавшего Порт-о-Пренс, находился всего в 13 км от поверхности земли. Поэтому его поверхностные волны оказались такими губительными, сравняв город и пригороды с землей. Здания и инфраструктура столицы гаитян, нации довольно бедной, возводились без учета сейсмической активности и не устояли против землетрясения и последовавшей за ним серии многочисленных повторных толчков. В результате за считанные часы погибло около 230 000 человек.

* * *

Однако существует в природе такой зверек, которому ударные волны близки и знакомы; взгляните на следующую страницу.

Это рак-щелкун, которого еще называют креветкой. Креветка принадлежит семейству Alpheidae, подтип ракообразные; она обитает среди океанических рифов тропических и умеренных широт. В длину креветка едва достигает 5 см; даже не верится, что такое тщедушное существо может иметь что-то общее с ударными волнами. Однако вспомните: ударные волны характеризует отнюдь не размер, а резко выраженный фронт, высокая скорость распространения и последствия воздействия на среду. Ударные мини-волны не только существуют, но и являются рабочим инструментом этой самой боксирующей креветки. Я говорю «боксирующей», потому что одна клешня у нее заметно больше другой — креветка напоминает потерявшего одну перчатку боксера.

«Не вздумай сунуться — клешня «заряжена»

Большая клешня креветки обладает функцией, отсутствующей у маленькой клешни: она создает кавитационный пузырек, который, в свою очередь, порождает ударную волну, оглушающую жертву

Захлопывая клешню с невероятной скоростью, креветка производит резкий щелкающий звук — так она общается с сородичами. Нырните на глубину и проплывите возле колонии этих креветок — можно подумать, будто вы очутились на подводной фабрике попкорна. Хлопки клешней нескольких креветок могут быть настолько громкими, что во время Второй мировой они даже мешали подводным лодкам отслеживать передвижения вражеских субмарин.

Однако щелкающие звуки составляют не только креветочную «азбуку Морзе» — они выступают в качестве смертоносного оружия. Когда креветка щелкает клешней, возникает струя воды, текущей со скоростью 105 км/ч. Когда дети плещутся в бассейне и под водой резко сжимают кулаки, получаются те же струи, только скорость у них меньше. Креветка с помощью струи оглушает, а иногда даже убивает небольшую рыбу и креветок других видов. Зрелище само по себе впечатляющее. Но удивительнее всего то, что орудием убийства выступает отнюдь не захлопывающаяся со звуком кастаньет клешня, а подводная ударная волна.

И хотя ударная волна имеет малые масштабы, по силе воздействия ее можно сравнить с извержением Кракатау. Струя воды развивает скорость, достаточную для того, чтобы возник кавитационный пузырек. В момент зарождения струи давление падает настолько, что морская вода моментально превращается в пузырек водяного пара. В течение нескольких миллисекунд этот пузырек с силой схлопывается, порождая ударную волну, которая распространяется как участок сильного повышения давления и способна оглушить жертву на расстоянии 4 см.

Водяной пар в схлопнувшемся пузырьке мгновенно переходит обратно в жидкое состояние, нагреваясь до температуры около + 4 700° С. Подумать только, ведь это почти что температура поверхности Солнца! Одновременно происходит вспышка света. Она длится какую-то миллисекунду, и человеческому глазу незаметна, но при съемке 40 000 кадров в минуту видна. И хотя данный феномен — ударная волна давления, порождающая световую вспышку — известен как сонолюминесценция, заснявшие ее в природных условиях исследователи придумали термин «креветколюминесценция».

* * *

Чем еще волны так примечательны? Тем, что мы их почти не замечаем.

И пускай в данном утверждении кроется внутреннее противоречие, доля правды в нем присутствует. Мы уделяем значительное внимание информации, которую волны переносят, однако сами волны не замечаем — для нас они всего лишь невидимые бойкие посыльные. Ведь вам совсем не обязательно понимать принцип работы лампочки накаливания, чтобы видеть освещенное пространство вокруг себя. И когда вам признаются в любви, вы не думаете (я на это очень надеюсь) о том, что это признание — не что иное, как последовательность периодических волн давления.