Магнитуда

Магнитуда — это условная безразмерная величина, характеризующая энергию, выделившуюся в очаге землетрясения в виде сейсмических волн. Магнитуда является количественной мерой силы землетрясения, отличающейся от его интенсивности (балльности), которая оценивает силу сотрясений на поверхности Земли в зависимости от удалённости от эпицентра и геологических условий. Шкала магнитуд логарифмическая: увеличение магнитуды на единицу соответствует примерно тридцатикратному увеличению выделившейся энергии.

История разработки

Первая попытка создания объективной шкалы для измерения силы землетрясений была предпринята итальянским сейсмологом Джузеппе Меркалли в конце XIX века. Его шкала (шкала Меркалли — Канкани — Зиберга) основывалась на визуальных наблюдениях за разрушениями и ощущениями людей, что делало её субъективной и неприменимой для удалённых или слабозаселённых районов.

В 1935 году американский сейсмолог Чарльз Рихтер, работая в Калифорнийском технологическом институте, совместно с Бено Гутенбергом разработал первую количественную шкалу магнитуд. Изначально шкала Рихтера была создана для местных землетрясений в Южной Калифорнии и основывалась на амплитуде сейсмических волн, зарегистрированных сейсмографом Вуда — Андерсона на расстоянии 100 км от эпицентра. Впоследствии эта шкала была модифицирована и адаптирована для землетрясений различной удалённости и глубины.

Физический смысл и определение

Магнитуда (M) определяется как логарифм отношения максимальной амплитуды сейсмических волн, зарегистрированных сейсмографом, к амплитуде эталонного землетрясения. Математически это выражается формулой:

\[ M = \log_{10} \left( \frac{A}{A_0} \right) \]

где \(A\) — максимальная амплитуда записи (в микрометрах), а \(A_0\) — амплитуда эталонного землетрясения.

Поскольку шкала логарифмическая, землетрясение магнитудой 5,0 высвобождает в 31,6 раза больше энергии, чем землетрясение магнитудой 4,0, и примерно в 1000 раз больше, чем землетрясение магнитудой 3,0. Разница в две единицы магнитуды соответствует увеличению энергии примерно в 1000 раз.

Типы магнитуд

В современной сейсмологии используется несколько типов магнитуд, различающихся по типу регистрируемых волн и методике расчёта:

Магнитуда по поверхностным волнам (Ms)

Определяется по амплитуде поверхностных волн (волн Релея) с периодом около 20 секунд. Применяется для удалённых (телесейсмических) землетрясений с глубиной очага менее 50 км. Наиболее известна широкой публике, так как именно её часто приводят в новостях.

Магнитуда по объёмным волнам (Mb)

Определяется по амплитуде продольных (P) и поперечных (S) волн, проходящих через толщу Земли. Используется для глубокофокусных землетрясений и для событий с магнитудой менее 6,5. Недостатком является так называемое «насыщение» шкалы при больших магнитудах.

Магнитуда по длительности колебаний (Md)

Определяется по общей продолжительности сейсмической записи. Используется для слабых землетрясений и микроземлетрясений, когда амплитуда волн мала для точного измерения.

Моментная магнитуда (Mw)

Наиболее современная и точная шкала, разработанная в 1979 году сейсмологами Томасом Хэнксом и Хироо Канамори. Основана на сейсмическом моменте (M0) — произведении площади разрыва в очаге, среднего смещения по разрыву и модуля сдвига горных пород. Моментная магнитуда не имеет эффекта насыщения и адекватно оценивает даже самые сильные землетрясения (например, магнитудой 9,0 и выше). Именно её сейчас используют для описания крупных землетрясений в научных публикациях и сейсмологических бюллетенях.

Локальная магнитуда (ML)

Исходная шкала Рихтера, адаптированная для конкретного региона. В России для Камчатки и Курильских островов используется региональная шкала ML, калиброванная под местные геологические условия.

Шкала магнитуд и шкала интенсивности

Важно различать магнитуду и интенсивность землетрясения.

• Магнитуда — это объективная физическая характеристика очага, измеряемая по сейсмограммам. Она одна для всего землетрясения.
• Интенсивность (балльность) — это субъективная оценка силы сотрясений на поверхности, зависящая от расстояния до эпицентра, глубины очага, типа грунта и качества построек. Измеряется в баллах по шкалам (например, MSK-64 в России, шкала Меркалли в США).

Одно и то же землетрясение магнитудой 6,0 может вызвать интенсивность IX баллов в эпицентре на рыхлом грунте и всего IV балла на расстоянии 200 км на скальном основании.

Распространённые заблуждения

В средствах массовой информации и бытовой речи часто путают понятия «магнитуда» и «балл». Фраза «землетрясение силой 7 баллов по шкале Рихтера» некорректна, так как шкала Рихтера измеряет магнитуду, а не баллы. Правильно говорить: «землетрясение магнитудой 7,0» или «интенсивность землетрясения составила 7 баллов по шкале MSK-64».

Также ошибочно мнение, что шкала Рихтера имеет верхний предел в 10 баллов. Теоретически магнитуда не ограничена, но на практике моментная магнитуда самого сильного зарегистрированного землетрясения (Великое чилийское землетрясение 1960 года) составила 9,5. Землетрясения с магнитудой более 10,0 маловероятны из-за ограничений прочности земной коры.

Применение

Магнитуда является ключевым параметром для:

• Сейсмического районирования — оценки сейсмической опасности территории и строительных норм.
• Цунами-прогноза — землетрясения с магнитудой более 7,0 и глубиной очага менее 50 км способны генерировать цунами.
• Сейсмологии — изучения тектоники плит, внутреннего строения Земли и механизмов очагов землетрясений.
• Гражданской обороны — для оперативного оповещения населения и принятия решений о спасательных работах.

Интересные факты

• Самое сильное землетрясение в истории наблюдений — Великое чилийское землетрясение 22 мая 1960 года — имело моментную магнитуду 9,5.
• Самое сильное землетрясение на территории России — Камчатское землетрясение 4 ноября 1952 года — имело магнитуду 9,0.
• Энергия, выделяемая при землетрясении магнитудой 8,0, эквивалентна взрыву нескольких сотен атомных бомб, сброшенных на Хиросиму.
• Человеческая деятельность (заполнение крупных водохранилищ, добыча полезных ископаемых, подземные ядерные взрывы) может вызывать наведённую сейсмичность с магнитудой до 5–6.

Источники

1. Болт Б. А. Землетрясения. — М.: Мир, 1981.
2. Касахара К. Механика землетрясений. — М.: Мир, 1985.
3. Гутенберг Б., Рихтер Ч. Ф. Сейсмичность Земли. — М.: Изд-во иностранной литературы, 1948.
4. Соболев Г. А. Основы прогноза землетрясений. — М.: Наука, 1993.
5. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теория упругости. — М.: Наука, 1987.
6. Стейси Ф. Физика Земли. — М.: Мир, 1972.