Шкала Рихтера

Шкала Рихтера — это сейсмическая шкала магнитуд, основанная на оценке энергии, выделяемой в очаге землетрясения, по амплитуде сейсмических волн, зарегистрированных сейсмографами. Первоначально разработана в 1935 году американскими сейсмологами Чарльзом Рихтером и Бено Гутенбергом для количественного сравнения силы землетрясений в Южной Калифорнии. В современной сейсмологии термин «шкала Рихтера» часто используется как бытовое название для более точной шкалы моментной магнитуды (Mw), хотя технически между ними существуют различия.

История создания

До появления шкалы Рихтера интенсивность землетрясений оценивалась по 12-балльной шкале Меркалли (модифицированной шкале Меркалли — MM), которая основывалась на субъективных наблюдениях за разрушениями и ощущениями людей. Такая оценка была неточной для удалённых или слабых толчков и не позволяла сравнивать землетрясения в разных регионах.

В 1935 году Чарльз Рихтер, работавший в Калифорнийском технологическом институте (Caltech), совместно с Бено Гутенбергом предложил логарифмическую шкалу, основанную на измерении максимальной амплитуды колебаний почвы, записанных стандартным сейсмографом Вуда-Андерсона. За нулевую точку (магнитуда 0) было принято землетрясение, которое на расстоянии 100 км от эпицентра вызывает смещение почвы в 1 микрометр (0,001 мм). Каждое увеличение магнитуды на единицу соответствует десятикратному увеличению амплитуды колебаний и примерно 31,6-кратному увеличению выделившейся энергии.

Первоначально шкала была калибрована для условий Калифорнии и расстояний до 600 км. Позднее Гутенберг и Рихтер адаптировали её для глобального использования, введя поправки на глубину очага и тип землетрясения.

Принцип измерения

Локальная магнитуда (ML)

Исходная шкала Рихтера измеряет локальную магнитуду (ML). Формула для её расчёта:

\[ M_L = \log_{10} A + 3 \log_{10} \Delta - 2.92 \]

где:

• A — максимальная амплитуда колебаний почвы в миллиметрах, записанная сейсмографом Вуда-Андерсона;
• Δ — эпицентральное расстояние в километрах.

Значения ML обычно находятся в диапазоне от 0 до 6,5 для неглубоких землетрясений. Для более сильных событий (магнитудой более 6,5) шкала Рихтера становится ненадёжной из-за насыщения — при больших амплитудах сейсмограф выходит за пределы линейного диапазона.

Моментная магнитуда (Mw)

Современная наука использует шкалу моментной магнитуды (Mw), предложенную в 1979 году Томасом Хэнксом и Хироо Канамори. Она лишена недостатков шкалы Рихтера и основана на сейсмическом моменте — произведении площади разрыва в очаге, среднего смещения по разрыву и модуля сдвига горных пород. Формула:

\[ M_w = \frac{2}{3} \log_{10} M_0 - 10.7 \]

где M₀ — сейсмический момент в ньютон-метрах.

Шкала моментной магнитуды не насыщается для сильнейших землетрясений (до 9,5 и выше) и позволяет корректно сравнивать события любой мощности. В СМИ и бытовом обиходе её часто по-прежнему называют «шкалой Рихтера», хотя технически это неточно.

Характеристики шкалы

Логарифмическая природа

Шкала Рихтера является логарифмической по основанию 10. Это означает, что:

• Увеличение магнитуды на 1 единицу соответствует увеличению амплитуды колебаний в 10 раз.
• Увеличение магнитуды на 1 единицу соответствует увеличению выделившейся энергии примерно в 31,6 раза.
• Увеличение магнитуды на 2 единицы — в 1000 раз по энергии.

Например, землетрясение магнитудой 6,0 выделяет примерно в 1000 раз больше энергии, чем землетрясение магнитудой 4,0.

Диапазон значений

Теоретически шкала не имеет верхнего предела, но на практике:

• Магнитуда 0–2,5 — обычно не ощущается людьми, регистрируется только приборами.
• Магнитуда 2,5–5,4 — ощущается, но редко приводит к серьёзным разрушениям.
• Магнитуда 5,5–6,0 — может вызывать повреждения зданий вблизи эпицентра.
• Магнитуда 6,1–6,9 — способна приводить к значительным разрушениям на площади до 100 км².
• Магнитуда 7,0–7,9 — крупное землетрясение, способное вызвать серьёзные разрушения на большой территории.
• Магнитуда 8,0 и выше — катастрофическое землетрясение, способное разрушать города и вызывать цунами.

Сильнейшее зарегистрированное землетрясение по моментной магнитуде — Великое Чилийское землетрясение 1960 года (Mw 9,5).

Отличие от шкалы интенсивности

Шкалу Рихтера часто путают со шкалой интенсивности (например, 12-балльной шкалой Меркалли или шкалой MSK-64, принятой в России). Принципиальное различие:

• Магнитуда (шкала Рихтера) — объективная физическая величина, характеризующая энергию в очаге. Измеряется приборами.
• Интенсивность — субъективная оценка силы сотрясений на поверхности земли, основанная на наблюдениях за разрушениями, поведением людей и предметов. Измеряется в баллах (от 1 до 12).

Одному и тому же землетрясению (одна магнитуда) в разных точках могут соответствовать разные баллы интенсивности — в зависимости от расстояния до эпицентра, типа грунта, качества построек.

Применение

Сейсмология

Шкала Рихтера (в современном виде — моментная магнитуда) является основным инструментом для:

• Классификации землетрясений по силе.
• Сравнения сейсмической активности в разных регионах.
• Оценки сейсмической опасности и риска.
• Прогнозирования возможных разрушений (совместно с данными о глубине очага и геологии местности).

Строительство и инженерия

Данные о магнитудах используются при проектировании сейсмостойких зданий и сооружений. В России нормы сейсмостойкого строительства (СП 14.13330.2018) учитывают как магнитуду, так и интенсивность в баллах.

Гражданская защита

Системы раннего предупреждения о землетрясениях (например, в Японии, США, России) используют данные сейсмографов для быстрой оценки магнитуды и автоматического оповещения населения.

Критика и ограничения

• Насыщение шкалы ML — для землетрясений магнитудой более 6,5 исходная шкала Рихтера даёт заниженные значения. Это привело к переходу на моментную магнитуду.
• Неприменимость для глубоких землетрясений — шкала калибрована для неглубоких событий (глубина до 100 км). Для глубокофокусных землетрясений (300–700 км) требуются отдельные поправки.
• Путаница в СМИ — журналисты и обыватели часто используют термин «шкала Рихтера» для обозначения любого измерения силы землетрясения, что порождает неточности. Например, сообщение «землетрясение магнитудой 8,5 по шкале Рихтера» технически некорректно, так как для таких значений применяется моментная магнитуда.
• Не даёт информации о разрушениях — магнитуда не учитывает глубину очага, тип грунта, качество построек и плотность населения. Землетрясение магнитудой 6,0 в пустыне может быть незаметным, а такое же в густонаселённом районе с ветхими зданиями — катастрофическим.

Интересные факты

• Чарльз Рихтер при выборе нулевой точки вдохновлялся шкалой звёздных величин в астрономии, где более яркие звёзды имеют меньшую величину.
• В 1977 году советский сейсмолог Сергей Медведев разработал шкалу MSK-64, которая до сих пор используется в России и странах СНГ для оценки интенсивности (в баллах), а магнитуда определяется по моментной шкале.
• Самое мощное землетрясение на территории России — Камчатское землетрясение 1952 года (Mw 9,0), вызвавшее цунами, которое достигло Гавайских островов.
• В 2023 году в Турции и Сирии произошла серия землетрясений с магнитудой до 7,8 (Mw), унёсшая жизни более 50 тысяч человек.

Источники

• Richter, C. F. (1935). «An instrumental earthquake magnitude scale». Bulletin of the Seismological Society of America.
• Hanks, T. C., & Kanamori, H. (1979). «A moment magnitude scale». Journal of Geophysical Research.
• Болт, Б. (1982). «Землетрясения». — М.: Мир.
• Сейсмологический бюллетень России (Единая геофизическая служба РАН).
• СП 14.13330.2018 «Строительство в сейсмических районах».