Сейсмическая мутность

Сейсмология — наука о колебаниях. И, как таковая, она оказывается в ближайшем родстве с другими разделами физики, изучающими волны, — оптикой, акустикой, физикой радиоволн. Дисперсия, дифракция, интерференция, преломление, отражение, поляризация — с каждым из этих понятий в сейсмологии связан целый хвост чаяний и уже опубликованных работ.

И здесь чисто популяризаторский прием нестрогих аналогий оказывается часто путем к новому видению проблемы. Квантовая механика разрубила гордиев узел дилеммы "волна-частица" для света очень просто: она возгласила дуализм. И электрон не только частица, но и волна, и звук не только волна. В нелинейной акустике давно уже известно понятие фонона — элементарной частицы звука, ибо по универсальной переходной формуле Планка E=hγ, где Е — энергия частицы, а γ — частота колебаний в волновом процессе, всякое волновое явление нетрудно изобразить как в виде потока частиц, так и в виде "цуга волн". Представив акустический процесс в виде потока фононов, физики добились немалых достижений в области изучения взаимодействия звука и решеток кристаллов.

Сейсмология очень близка к акустике. Продольные волны сейсмологии: — это по существу те же звуковые волны, только очень широкого диапазона частот, с мощным хвостом в инфразвуковой области — области самых длинных волн. Глазу непривычно видеть медленность таких колебаний, что-то нарочитое видится в неспешных зигзагах перописца на сейсмографе видимой записи, когда он начинает вырисовывать автограф далекого землетрясения. Что-то могучее и грандиозное в сравнении с эфемерным мельтешением обычных звуковых колебаний, не говоря уж о свете...

Но восприятия обыденного здравого смысла не всегда точны. Если по формуле Планка пересчитать сейсмические колебания в фононы, а точнее, в сейсмоны (ибо все-таки звук и сейсмические волны — это не совсем одно и то же), то великое обернется малым. Сейсмоны самых длинных сейсмических колебаний невероятно малоэнергичны в сравнении с фононами слышимого звука, не говоря уже о квантах радиоволн и тем паче о фотонах света. Это потому, что энергия дуалистической частицы равна произведению частоты (а она мала именно в сейсмодиапазоне) на постоянную Планка (постоянная есть постоянная).

Это значит, что квантованность, прерывистость сейсмического излучения невероятно мала, но она не равна нулю. А потому любую порцию сейсмической энергии можно изобразить в виде некоей (очень большой) суммы сейсмонов.

Как ведут себя сейсмоны? Вот мириады их, излученных сильным землетрясением, бегут со скоростью продольной волны (в коре — около 5 километров в секунду). Скорость продольной волны — абсолютная скорость сейсмического пространства-времени. Казалось бы, какая разница, как описывать процесс: от волны в нем как будто больше, чем от частицы. Но видный западногерманский сейсмолог Бергхеммер описывает затухание сейсмического излучения как диффузию фононов-сейсмонов, и его описание, как говорят специалисты, учитывает некоторые тонкие эффекты, в ином представлении непонятные.

Вблизи самого очага — полный набор сейсмонов, начиная от ультразвуковых и звуковых: Земля кричит в голос в районе сильного землетрясения. Этот гул часто предупреждает о начинающейся катастрофе. Еще Александр Гумбольдт, в начале прошлого века путешествовавший по Южной Америке, описал это явление. Два раба-негра, поднимавшие воду из колодца, испугались до беспамятства, услышав со, дна колодца грозный крик земных недр перед толчком. Но наиболее энергичные высокочастотные звуковые фононы быстрее всего теряются на пути сейсмического луча. Татьяна Глебовна Раутиан, старейший сотрудник экспедиции и энтузиаст исследования землетрясений, с помощью частотно-избирательных приборов, раскладывающих колебания на спектр разных частот, с помощью фононов оригинально описывает процессы затухания и рассеивания сейсмической энергии на пути от землетрясения до сейсмоприемника.

Фононы-сейсмоны только начинают появляться на страницах сейсмологической литературы. Может быть, они так и останутся оригинальным способом описания. Но мне они симпатичны, и я болею за их более прочное утверждение в науке. Может быть, какие-то необычные заблаговременные изменения в потоке сейсмонов от слабых землетрясений позволят по-новому подойти и к проблеме прогноза сильных толчков?

Читатель этой книги уже информирован и о других параллелях между причинно-следственными странностями в термодинамике и даже квантовой физике, с одной стороны, и в сейсмологии — с другой. Одна из важных, основных проблем нынешней науки о землетрясениях — ее положение на распутье между чисто детерминистским и статистико-вероятностным путем, сходным с магистральным путем нынешней "Большой физики". Будет немного жаль, когда выбор будет сделан в пользу последнего пути (все же интуитивно хочется простых, "здоровых", стройных причинно-следственных рядов), но, по-видимому, это неизбежно.

Впрочем, некоторые видные деятели этой науки видят подвижной границу между "детерминистским" и статистическим компонентами предмета изучения сейсмологии. И даже считают, что первая задача науки, несущей ответственность за прогноз бедствий, — определить эти границы и получать результаты тем способом, какой в данной области наиболее эффективен. Сам объект исследования должен в каждом данном случае как бы сам диктовать, как его лучше изучать.

Друг и порой наставник в сложных дебрях сейсмологии замначальника экспедиции Алексей Николаев писал в заключение своей книги: "Природа быстро вступает в противоречие с идеализированными представлениями о ее состоянии и нередко выигрывает встречу с интерпретатором. Усложнение детерминированной модели не приносит утешения: интерпретация становится неопределенной, ее результаты расплывчатыми... Переход к статистическим моделям-это существенное упрощение задачи, позволяющее сравнительно легко миновать сложности изощренного детерминированного описания".

Сам А. Николаев сделал свой вклад в новое понимание проблемы, развив учение о мутности сейсмического пространства. "Мутность — это все те детали, которые вылезают за рамки детерминированной модели..." Алексей в свое время отлично знал, какое великолепное поле упражнений острякам он открывает введением термина "мутность". Но он проявил завидную стойкость и вышел победителем. Термин со временем примелькался и завоевал сторонников.

Мутность сейсмотектонического пространства — это нечто обратное понятию прозрачности этого пространства. Земля насквозь просвечивается сейсмическими лучами... Значит ли это, что Земля прозрачна для них? Нет! Так же как непрозрачно толстое стекло, сплошь заполненное пузырьками и кристаллами, каждый из которых пропускает свет, но каждый — по-своему. Такое стекло пропустит свет, но его нельзя назвать прозрачным. Оно заполнено неоднородностями. И на этих неоднородностях проходящий свет рассеивается.

Когда сейсмолог получает сигнал от далекого землетрясения, он отлично знает, что сигнал этот очень мало похож на первичный, испущенный очагом. Иногда говорят, что задача сейсмолога, получив сигнал, так его обработать, отфильтровать все постороннее, наносное, приобретенное по пути, чтобы, с одной стороны, получить чистый первичный сигнал, с другой — узнать все о пути следования луча. Это и есть главная задача сейсмологии с точки зрения детерминированной модели. Эту задачу можно сравнить с задачей астронома, наблюдающего свет далеких звезд. Он узнает, что звезда удаляется, что она вращается, узнает по спектру ее химический состав, а вдобавок и еще кое-что о межзвездной среде, через которую прошел луч, и даже об атмосфере Земли.

Но как выглядит претворение в жизнь этого идеала в сейсмологической действительности?

Даже если мы учтем ошибку прибора, специально уточним геологический разрез по пути следования луча, мы на нашей сейсмограмме всегда получим колебание, на какую-то величину "отскакивающее" от любых расчетных величин. Часто сейсмологи тратят годы на выяснение причин такого "отскока" (детерминистский идеал влечет сейсмолога, как огонь — бабочку!), ничего не выясняют, а потом, бывает, тот "отскок" куда-то девается, появляется другой, столь же необъяснимый.