Поиск - новости науки и техники

Кора под контролем. Олимпиада привела к новым научным достижениям.

Олимпиада побудила к состязаниям не только спортсменов. Состязались проектировщики, застройщики, строители, дизайнеры, волонтеры, инженеры, организаторы Олимпиады в Сочи за то, чтобы она стала лучшей за всю историю.
Однако далеко не все знают, что в это состязание задолго до открытия престижных международных соревнований включились также различные группы ученых. Была поставлена задача и перед сейсмологами – обеспечить мониторинг сейсмической обстановки на территории олимпийского строительства. На Черноморском побережье возможны землетрясения до 9 баллов. Учитывая это, все возводимые объекты проектировались с необходимым запасом прочности. Тем не менее, как еще раз доказали события в Японии, о подобных явлениях лучше узнавать заранее.
Основной комплекс исследований и работ, которые необходимо было провести в этой области, определяла Геофизическая служба Российской академии наук. А точнее – вице-президент РАН академик Николай Лаверов, наметивший всю стратегию действий, необходимых для надежного мониторинга территории, и организовавший контроль за исполнением всех работ.
С Геофизической службой РАН тесно взаимодействовали четыре организации: Южный научный центр РАН, Кубанский государственный университет, Южный федеральный университет, Государственный научный центр Федеральное государственное унитарное, геологическое предприятие “Южморгеология”. Такой симбиоз получился не случайно. Череда тяжелых природных событий, свалившихся на нашу страну в период, предшествовавший Олимпиаде (Туапсе, Крымск, Дальний Восток…), резко ограничила ресурсы для организации мониторинга землетрясений на территории Сочи. И было решено выполнять эту работу безвозмездно, в рамках имеющихся бюджетных средств и за счет полученных грантов. Было сконцентрировано принадлежащее различным организациям оборудование для сбора и обработки геофизической информации. Это, прежде всего, сейсмические станции, высокоточные GPS-приемники (каждый из которых связан с пятью спутниками и способен “поймать” одномиллиметровые смещения), уникальный (возможно, пока единственный в мире) наклономер на кварцевых нитях, улавливающий тысячные доли градуса наклона литосферной плиты, унифицированные линии передачи геофизической информации.
Для надежного контроля каждая организация создала на территории олимпийского строительства распределенные геофизические полигоны, что позволило исключить сложности с эксплуатацией оборудования и сэкономить на содержании персонала. Передаваемая геофизическая информация как с целью надежности, так и для проведения научных исследований поступала в четыре названных центра обработки.
Но прежде чем начать всю эту организационную работу, надо было познакомиться с опытом проведения аналогичных исследований в Ванкувере, где проходили предыдущие Олимпийские игры. Там сейсмичность, как и на Черноморском побережье Кавказа, оценивается в 9 баллов. Надо отдать должное доброжелательному отношению и вниманию к нашим вопросам главного геофизика Северо-Запада Канады Джона Кассиди: он детально рассказал нам о работе ученых, которая была там выполнена. От него же мы узнали, что в Ванкувере вопрос о мониторинге сейсмической обстановки территории поднимали журналисты, и для них пришлось специально организовывать пресс-конференции. Мы же, как положено в России, регулярно сообщали информацию о сейсмической обстановке в регионе нашему МЧС, и доведение прогноза до общественности было уже его делом.
Добавим, что наш полигон в Сочи был оснащен количеством оборудования в три раза большим, чем у коллег в Ванкувере. Но не это главное. Есть полигоны с еще большей плотностью оборудования, однако это не спасает от незамеченных сейсмических событий.
Главное, что было сделано благодаря Олимпиаде, – мы хорошо продвинулись в разработке принципиально нового подхода к проблеме прогноза сильных землетрясений. Частично эта тема затрагивалась нами в предыдущих публикациях (“Поиск” №12, 2011). Речь идет о механическом подходе к оценке “прочности коры Земли”. Проще говоря, эту прочность, в идеале, можно рассчитать так же, как, например, прочность летательного аппарата. Об этой концепции докладывалось на многих международных конференциях. Сейсмологи, и не только российские, с нетерпением ждут, когда теорию можно будет использовать на практике. На сайте программы EPOS Еврокомиссии даже была размещена информация о нашем подходе (http://rp7.ffg.at/eu-russian_opendays).
Но проблема эта, скажем прямо, не простая. Достаточно вспомнить, что попытки ее решения предпринимали наш нобелевский лауреат, единственный математик, удостоенный этой премии в области экономики, Леонид Канторович, крупнейшие ученые мира всех времен, и в том числе наши выдающиеся академики Борис Голицын, Владимир Магницкий, Михаил Садовский, американский ученый из Гарвардского университета Джон Райс и многие другие. Даже стремительный взлет возможностей вычислительной техники и информационных технологий мало что дал для прогноза землетрясений. И все-таки на этом пути удалось значительно продвинуться.
Почему достаточно точно определяются прочностные характеристики летательного аппарата и сложно это сделать для коры Земли? Потому что в первом случае достоверно известны все характеристики материала, из которого он сделан, геометрические характеристики объекта и оказываемые на него внешние воздействия. В случае коры Земли этих данных нет. В то же время строение коры может быть определено методом вибросейсморазведки. Пожалуй, сейчас это главная проблема для широкого применения механической концепции. В тех случаях, когда можно принять с каким-то приближением модель строения коры Земли на некоторой территории как блочной структуры, дальнейшее необходимое наблюдение и расчет прочности уже оказываются выполнимыми.
Наблюдения – это данные высокоточных GPS-приемников и геодезических приборов, оценивающих возможное искривление поверхности Земли, свидетельствующие о глубинных воздействиях. Наконец, самое главное, что привело к такой возможности, – это новый математический аппарат, разработанный специально для механического подхода к оценке прочности земной коры и уже нашедший применение в самых разнообразных областях – от аномальных природных явлений до наноматериалов.
Однако здесь нам следует извиниться перед сейсмологами-практиками. Новой теорией воспользоваться не так просто. Применяемый математический аппарат – очень сложный. Основу его составляет топология (раздел математики, который детально изучается лишь в некоторых вузах) в комплексе с факторизационными методами, внешним анализом и интегральной геометрией. Был разработан топологический метод решения граничных задач для блочных структур. Именно этот метод подсказал, как следует решать задачи прочности коры Земли.
Механическая концепция оценки сейсмичности территорий предполагает выявление зон концентрации напряжений в литосферных плитах как еще одного предвестника сейсмичности. Эти зоны определяются на основании мониторинговой информации благодаря использованию нового математического аппарата. По ним можно судить о возможных последствиях сейсмических событий, местах их расположения, а в некоторых случаях и о вероятном времени их наступления.
В науке хорошо известно, что чем за более сложную проблему берешься, тем более серьезный результат получаешь, который позволяет уже с иной высоты и по-иному рассматривать ранее изучавшиеся задачи. Так сложилось и здесь.
Говоря популярно, применяя теорию прочности блочных структур, мы можем описать явления, которые практически незаметны в структурах, блочными не являющихся. Локализации, скрытые дефекты, природные вирусы – все это явления, присущие блочным структурам. Простейшая разновидность блочных структур – слоистые структуры. Смело можно заметить, что их-то математики, механики, физики и геофизики, а также специалисты иных областей науки рассматривали в огромном количестве различных работ. Казалось бы, все изучено и исчерпано. Оказывается, нет. Топологический подход сформировал новый алгоритм описания решений в слоистых структурах, который ценен тем, что позволяет также строить решения и для сложных блочных структур, что не способны выполнить прежние алгоритмы.
Именно этот подход, наряду с традиционными, был заложен в модель оценки сейсмического состояния территории Олимпиады. В совместной публикации с канадскими коллегами подтверждено, что он используется впервые в мире, то есть в Ванкувере не применялся.
Таким образом, нам Олимпиада дала возможность состязаться с коллегами, а теперь уже и с самими собой. Разработанные нами новые математические методы только начинают изучаться зарубежными учеными.

На верхнем снимке: академик Владимир Бабешко и профессор Джон Кассиди обсуждают систему мониторинга территории олимпиады в Ванкувере.

Владимир БАБЕШКО,
академик РАН
Фото Валерия Шестопалова

Нет комментариев