Шкала звездных величин Рихтера - Richter magnitude scale

Эта статья посвящена оригинальной шкале, представленной Чарльзом Рихтером в 1935 году. Для обзора различных шкал величин см. шкалы сейсмической магнитуды.

«Шкала Рихтера» перенаправляется сюда. О музыкальной шкале, используемой для настройки гармоник, см. Настройка Рихтера. О сингле EPMD см. Шкала Рихтера (песня).

В шкала Рихтера^[1] - также называется Шкала звездных величин Рихтера или же Шкала величин Рихтера - мера силы землетрясений, разработанная Чарльз Ф. Рихтер и представлен в своей знаменательной статье 1935 года, где он назвал ее «шкалой величин».^[2] Позже это было исправлено и переименовано в шкала местной магнитуды, обозначается ML или M_L . Из-за различных недостатков M_L шкала, большинство сейсмологических органов теперь используют другие шкалы, такие как шкала моментной магнитуды (M_ш ), чтобы сообщить о магнитуде землетрясения, но многие средства массовой информации по-прежнему называют это магнитудой "Рихтера". Все шкалы величин сохраняют логарифмический символа оригинала и масштабируются для получения примерно сопоставимых числовых значений (обычно в середине шкалы).

Разработка

Чарльз Фрэнсис Рихтер (около 1970 г.)

До разработки шкалы магнитуд единственной мерой силы или «размера» землетрясения была субъективная оценка интенсивности сотрясений, наблюдаемых вблизи эпицентр землетрясения, классифицируемые по различным шкалы сейсмической интенсивности такой как Шкала Росси-Фореля. («Размер» используется в смысле количества выделяемой энергии, а не размера области, подверженной сотрясениям, хотя землетрясения с более высокой энергией имеют тенденцию затрагивать более широкую область, в зависимости от местной геологии.) В 1883 г. Джон Милн предположил, что сотрясение сильных землетрясений может генерировать волны, обнаруживаемые по всему земному шару, и в 1899 году Э. фон Ребур Пашвиц наблюдал в Германии сейсмические волны, связанные с землетрясением в г. Токио.^[3] В 1920-е гг. Гарри О. Вуд и Джон А. Андерсон разработал Вуд – Андерсон Сейсмограф, один из первых практических инструментов для регистрации сейсмических волн.^[4] Затем дерево построили под эгидой Калифорнийский технологический институт и Институт Карнеги, сеть сейсмографов, простирающаяся на Южная Калифорния.^[5] Он также нанял молодого и неизвестного Чарльза Рихтера для измерения сейсмограмм и определения местоположения землетрясений, генерирующих сейсмические волны.^[6]

В 1931 г. Кию Вадати показал, как он измерил для нескольких сильных землетрясений в Японии амплитуду сотрясений, наблюдаемых на различных расстояниях от эпицентра. Затем он построил логарифм амплитуды в зависимости от расстояния и нашел серию кривых, которые показали грубую корреляцию с оцененными магнитудой землетрясений.^[7] Рихтер решил некоторые трудности с этим методом.^[8] а затем, используя данные, собранные его коллегой Бено Гутенберг, он построил аналогичные кривые, подтвердив, что их можно использовать для сравнения относительных магнитуд различных землетрясений.^[9]

Для создания практического метода присвоения абсолютной меры величины потребовались дополнительные разработки. Во-первых, чтобы охватить широкий диапазон возможных значений, Рихтер принял предложение Гутенберга о логарифмический шкала, где каждый шаг представляет собой десятикратное увеличение величины, аналогично шкале величин, используемой астрономами. для яркости звезды.^[10] Во-вторых, он хотел, чтобы нулевая величина была на пределе восприятия человека.^[11] В-третьих, он определил сейсмограф Вуда – Андерсона в качестве стандартного инструмента для получения сейсмограмм. Затем величина определялась как «логарифм максимальной амплитуды трассы, выраженной в микроны ", измеренный на расстоянии 100 км (62 мили). Шкала была откалибрована путем определения толчка магнитудой 0 как такого, который создает (на расстоянии 100 км (62 мили)) максимальную амплитуду 1 микрон (1 мкм, или 0,001 миллиметра) на сейсмограмме, зарегистрированной торсионным сейсмографом Вуда – Андерсона.^[12] Наконец, Рихтер рассчитал таблицу поправок на расстояние,^[13] в том, что на расстояния менее 200 километров^[14] затухание сильно зависит от структуры и свойств региональной геологии.^[15]

Когда Рихтер представил получившуюся шкалу в 1935 году, он назвал ее (по предложению Гарри Вуда) просто шкалой «величин».^[16] «Величина Рихтера», похоже, возникла, когда Перри Байерли сказал прессе, что шкала принадлежит Рихтеру и «должна называться таковой».^[17] В 1956 году Гутенберг и Рихтер, все еще ссылаясь на «шкалу звездных величин», назвали ее «местной величиной» символом M._L , чтобы отличить его от двух других шкал, которые они разработали, величина поверхностной волны (M_S) и величина объемной волны (M_B) напольные весы.^[18]

Подробности

Шкала Рихтера была определена в 1935 году для конкретных обстоятельств и инструментов; конкретные обстоятельства относятся к его определению для Южной Калифорнии и "неявно включают смягчающий свойства коры и мантии Южной Калифорнии ".^[19] Используемый конкретный инструмент может быть насыщен сильными землетрясениями и не сможет регистрировать высокие значения. Шкала была заменена в 1970-х годах на шкала моментной магнитуды (MMS, символ M_ш ); для землетрясений, адекватно измеряемых шкалой Рихтера, численные значения примерно такие же. Хотя сейчас измеренные значения землетрясений составляют M_ш , они часто сообщаются прессой как значения Рихтера, даже для землетрясений магнитудой более 8, когда шкала Рихтера теряет смысл.

Шкалы Рихтера и MMS измеряют энергию, выделяемую землетрясением; другой масштаб, Шкала интенсивности Меркалли, классифицирует землетрясения по их последствия, от обнаруживаемого приборами, но не заметного, до катастрофического. Энергия и эффекты не обязательно сильно коррелированы; мелкое землетрясение в густонаселенном районе с почвой определенных типов может иметь гораздо более сильные последствия, чем гораздо более сильное глубокое землетрясение в изолированном районе.

Несколько шкал исторически были описаны как «шкала Рихтера»,^{[нужна цитата ]} особенно местная величина M_L и поверхностная волна M_s шкала. В дополнение величина объемной волны, мб, а моментная величина, М_ш , сокращенно MMS, широко используются на протяжении десятилетий. Несколько новых методов измерения магнитуды находятся в стадии разработки сейсмологами.

Все шкалы величин были разработаны для получения аналогичных численных результатов. Эта цель была успешно достигнута для M_L , М_s , И м_ш .^[20][21] Шкала mb дает несколько иные значения, чем другие шкалы. Причина стольких разных способов измерения одного и того же в том, что на разных расстояниях, для разных гипоцентральный глубины, и для разных размеров землетрясений необходимо измерить амплитуды различных типов упругих волн.

M_L это шкала, используемая для большинства землетрясений (десятки тысяч), зарегистрированных местными и региональными сейсмологическими обсерваториями. Для сильных землетрясений во всем мире наиболее распространена шкала моментных магнитуд (MMS), хотя M_s также часто сообщается.

В сейсмический момент, M₀ , пропорциональна площади разрыва, умноженной на средний сдвиг, произошедший при землетрясении, таким образом, он измеряет физический размер события. M_ш выводится из него эмпирически как величина без единиц, просто число, предназначенное для соответствия M_s шкала.^[22] Спектральный анализ необходим для получения M₀ , в то время как другие величины получаются из простого измерения амплитуды специально определенной волны.

Все шкалы, кроме M_ш , насыщаются для сильных землетрясений, то есть они основаны на амплитудах волн, длина которых короче, чем длина разрыва землетрясений. Эти короткие волны (высокочастотные волны) слишком короткие для измерения масштаба события. Результирующий эффективный верхний предел измерения M_L около 7 и около 8,5^[23] форма_s ^[24]

Разрабатываются новые методы, позволяющие избежать проблемы насыщения и быстро измерить магнитуды очень сильных землетрясений. Один из них основан на длиннопериодической P-волне;^[25] другой основан на недавно обнаруженной русловой волне.^[26]

В энергия сброс землетрясения,^[27] который тесно связан с его разрушительной силой, масштабируется с³⁄₂ мощность амплитуды встряхивания. Таким образом, разница в величине 1,0 эквивалентна коэффициенту 31,6 (${displaystyle =({10^{1.0}})^{(3/2)}}$) в выделяемой энергии; разница в 2,0 эквивалентна разнице в 1000 (${displaystyle =({10^{2.0}})^{(3/2)}}$) в выделяемой энергии.^[28] Излучаемую упругую энергию лучше всего получить путем интегрирования излучаемого спектра, но оценка может быть основана на mb, потому что большая часть энергии переносится высокочастотными волнами.

Величины Рихтера

Магнитуда землетрясения по шкале Рихтера определяется из логарифм из амплитуда волн, зарегистрированных сейсмографами (внесены поправки, чтобы компенсировать разницу в расстоянии между различными сейсмографами и эпицентр землетрясения). Исходная формула:^[29]

${displaystyle M_{mathrm {L} }=log _{10}A-log _{10}A_{mathrm {0} }(delta )=log _{10}[A/A_{mathrm {0} }(delta )], }$

где A - максимальный ход сейсмографа Вуда – Андерсона, эмпирическая функция A₀ зависит только от эпицентральное расстояние станции, ${displaystyle delta }$. На практике показания всех станций наблюдений усредняются после корректировки с поправками для конкретной станции для получения M_L ценить.

Из-за логарифмической основы шкалы каждое увеличение величины целого числа представляет десятикратное увеличение измеренной амплитуды; Что касается энергии, каждое увеличение целого числа соответствует увеличению примерно в 31,6 раза количества высвобождаемой энергии, а каждое увеличение на 0,2 соответствует примерно удвоению высвобождаемой энергии.

События с магнитудой более 4,5 достаточно сильны, чтобы их можно было зарегистрировать сейсмографом в любой точке мира, если его датчики не расположены в зоне землетрясения. тень.^{[нужна цитата ]}

Ниже описаны типичные последствия землетрясений различной магнитуды вблизи эпицентра. Значения только типичные. К ним следует относиться с особой осторожностью, поскольку интенсивность и, следовательно, воздействие на грунт зависят не только от магнитуды, но и от расстояния до эпицентра, глубины очага землетрясения под эпицентром, местоположения эпицентра и геологических условий (определенные местности может усиливать сейсмические сигналы).

Величина	Описание	Интенсивность Меркалли	Средние землетрясения	Средняя частота встречаемости в мире (оценка)
1.0–1.9	Микро	я	Микроземлетрясения не ощущаются или ощущаются редко. Записано сейсмографами.[30]	Постоянно / несколько миллионов в год
2.0–2.9	Незначительный	От I до II	Некоторые люди слегка ощущают это. Никаких повреждений построек.	Более миллиона в год
3.0–3.9		С III по IV	Часто ощущается людьми, но очень редко вызывает повреждения. Может быть заметно дрожание предметов в помещении.	Более 100 000 в год
4.0–4.9	Свет	С IV по VI	Заметное дрожание предметов в помещении и дребезжание. Ощущается большинством людей в зоне поражения. Слегка ощущается снаружи. Обычно наносит нулевой или минимальный ущерб. Ущерб от умеренного до значительного маловероятен. Некоторые предметы могут упасть с полок или опрокинуться.	От 10 000 до 15 000 в год
5.0–5.9	Умеренный	С VI по VII	Может нанести ущерб разной степени тяжести плохо построенным зданиям. От нулевого до небольшого ущерба всем остальным зданиям. Ощущается всеми.	От 1000 до 1500 в год
6.0–6.9	Сильный	С VIII по X	Ущерб умеренному количеству добротных построек в населенных пунктах. Сейсмостойкие конструкции выжить с легкими или средними повреждениями. Плохо спроектированные конструкции получают повреждения от среднего до серьезного. Войлок в более широких областях; до сотен миль / километров от эпицентра. От сильной до сильной тряски в эпицентральной области.	От 100 до 150 в год
7.0–7.9	Основной	X или выше[нужна цитата ]	Вызывает повреждение большинства зданий, некоторые частично или полностью разрушаются или получают серьезные повреждения. Хорошо спроектированные конструкции могут получить повреждения. Ощущается на больших расстояниях с серьезными повреждениями, в основном ограниченными 250 км от эпицентра.	От 10 до 20 в год
8.0–8.9	Большой		Значительный ущерб зданиям, сооружениям, которые могут быть разрушены. Наносит умеренный или тяжелый ущерб прочным или сейсмостойким зданиям. Повреждает большие площади. Войлок в очень больших регионах.	Один раз в год
9.0 и выше			При полном разрушении или близком к нему - серьезное повреждение или обрушение всех зданий. Сильный урон и тряска распространяются на далекие места. Постоянные изменения рельефа местности.	Один раз в 10–50 лет

(На основе документов Геологической службы США.)^[31]

Интенсивность и число погибших зависят от нескольких факторов (глубины землетрясения, местоположения эпицентра и плотности населения, и многих других) и могут сильно различаться.

Незначительные землетрясения происходят ежедневно и ежечасно. С другой стороны, сильные землетрясения случаются в среднем один раз в год. Самым крупным зарегистрированным землетрясением было Великое чилийское землетрясение 22 мая 1960 г., имевшая магнитуду 9,5 балла шкала моментной магнитуды.^[32] Чем больше магнитуда, тем реже случаются землетрясения.^{[нужна цитата ]}

Сейсмолог Сьюзан Хаф предположила, что землетрясение магнитудой 10 может представлять очень приблизительный верхний предел того, на что способны тектонические зоны Земли, что могло бы быть результатом самого большого известного непрерывного пояса разломов, прорывающихся вместе (вдоль тихоокеанского побережья Северной и Южной Америки). ).^[33] Исследование в Университет Тохоку в Японии обнаружили, что землетрясение магнитудой 10 теоретически возможно, если в совокупности разломы на 3000 километров (1900 миль) от Японский желоб к Курило-Камчатский желоб разорваны вместе и перемещены на 60 метров (200 футов) (или если аналогичный крупномасштабный разрыв произойдет в другом месте). Такое землетрясение вызовет колебания грунта на срок до часа и вызовет цунами на несколько дней, а если землетрясение такого рода произойдет, то, вероятно, это будет событие 1 из 10 000 лет.^[34]

Эмпирические формулы величины

Эти формулы для величины Рихтера M_L являются альтернативой использованию таблиц корреляции Рихтера, основанных на стандартном сейсмическом событии Рихтера (${displaystyle M_{mathrm {L} }=0}$, ${displaystyle A=0.001mathrm {mm} }$, ${displaystyle D=100mathrm {km} }$). Ниже, ${displaystyle extstyle Delta }$ - эпицентральное расстояние (в километрах, если не указано иное).

Эмпирическая формула Лилли:

${displaystyle M_{mathrm {L} }=log _{10}A-2.48+2.76log _{10}Delta ,}$

куда ${displaystyle A}$ - амплитуда (максимальное смещение грунта) продольной волны в микрометрах, измеренная при 0,8 Гц.

На расстояния ${displaystyle D}$ менее 200 км,

${displaystyle M_{mathrm {L} }=log _{10}A+1.6log _{10}D-0.15,}$

и для расстояний от 200 км до 600 км,

${displaystyle M_{mathrm {L} }=log _{10}A+3.0log _{10}D-3.38,}$

куда ${displaystyle A}$ является сейсмограф амплитуда сигнала в мм и ${displaystyle D}$ находится в км.

Эмпирическая формула Bisztricsany (1958) для эпицентральных расстояний от 4˚ до 160˚:^[35]

${displaystyle M_{mathrm {L} }=2.92+2.25log _{10}( au )-0.001Delta ^{circ },}$

Где ${displaystyle au }$ - длительность поверхностной волны в секундах, а ${displaystyle Delta }$ в градусах. M_L в основном составляет от 5 до 8.

Эмпирическая формула Цумуры:^[35]

${displaystyle M_{mathrm {L} }=-2.53+2.85log _{10}(F-P)+0.0014Delta ^{circ }}$

Где ${displaystyle F-P}$ - общая продолжительность колебаний в секундах. M_L в основном находится между 3 и 5.

Цубои, Токийский университет, эмпирическая формула:

${displaystyle M_{mathrm {L} }=log _{10}A+1.73log _{10}Delta -0.83}$

Где ${displaystyle A}$ - амплитуда в микрометрах.

Смотрите также

• Портал наук о Земле

• 1935 г. в науке
• Шкала магнитуд момента
• Весы для экстренной помощи Rohn для измерения величины (интенсивности) любой аварийной ситуации
• Шкалы сейсмической интенсивности
• Шкалы сейсмической магнитуды
• Хронология изобретений США (1890–1945)

Примечания

1. Канамори 1978, п. 411. Хафф (2007), pp. 122–126) довольно подробно обсуждает это имя.
2. Канамори 1978, п. 411; Рихтер 1935.
3. Болт 1993, п. 47.
4. Hough 2007;
5. Hough 2007, п. 57.
6. Hough 2007 С. 57, 116.
7. Рихтер 1935, п. 2.
8. Рихтер 1935, стр. 1–5.
9. Рихтер 1935, стр. 2–3.
10. [в ожидании]
11. Рихтер 1935, п. 14: Гутенберг и Рихтер, 1936 г., п. 183.
12. Рихтер 1935, п. 5. См. Также Хаттон и Бур 1987, п. 1; Чанг и Бернройтер 1980, п. 10.
13. Рихтер 1935, п. 6, таблица I.
14. Рихтер 1935, п. 32.
15. Чанг и Бернройтер 1980, п. 5.
16. Рихтер 1935, п. 1. Его статья называется: «Инструментальная шкала магнитуды землетрясений».
17. Hough 2007 С. 123–124.
18. Гутенберг и Рихтер, 1956b, п. 30.
19. «Пояснение к спискам бюллетеней, USGS».
20. Рихтер 1935.
21. Рихтер, К.Ф., "Элементарная сейсмология", изд., Том, У. Х. Фриман и Ко, Сан-Франциско, 1956.
22. Хэнкс, Т. С .; Канамори, Х. (1979). «Шкала мгновенных величин». Журнал геофизических исследований. 84 (B5): 2348. Bibcode:1979JGR .... 84.2348H. Дои:10.1029 / jb084ib05p02348.
23. Ву, Ван-чун (сентябрь 2012 г.). «О магнитуде землетрясений». Обсерватория Гонконга. Получено 18 декабря, 2013.
24. "Шкала Рихтера". Глоссарий. USGS. 31 марта 2010 г.
25. Ди Джакомо, Д., Паролай, С., Саул, Дж., Гроссер, Х., Борман, П., Ван, Р. и Зшау, Дж., 2008. «Быстрое определение величины энергии Me», в 31-я Генеральная ассамблея Европейской сейсмологической комиссии, Херсониссос.
26. Ривера, Л. и Канамори, Х., 2008. "Быстрая инверсия источника фазы W для предупреждения о цунами", в Генеральная ассамблея Европейского геофизического союза, стр. A-06228, Вена.
27. Василиу, Мариус; Канамори, Хироо (1982). «Выделение энергии при землетрясениях». Бык. Сейсмол. Soc. Являюсь. 72: 371–387.
28. Уильям Спенс; Стюарт А. Сипкин; Джордж Л. Чой (1989). «Измерение силы землетрясения». Землетрясения и вулканы. 21 (1).
29. Эллсуорт, Уильям Л. (1991). "Шкала Рихтера ML". В Роберте Э. Уоллесе (ред.). Система разломов Сан-Андреас, Калифорния. USGS. п. 177. Professional Paper 1515.. Получено 14 сентября, 2008.
30. Об этом писал Рихтер в своем Элементарная сейсмология (1958), мнение, обильно воспроизведенное впоследствии в учебниках по науке о Земле. Последние данные показывают, что землетрясения с отрицательной магнитудой (до −0,7) также могут ощущаться в исключительных случаях, особенно когда очаг очень мелкий (несколько сотен метров). См .: Thouvenot, F .; Бушон, М. (2008). «Каков самый низкий порог магнитуды, при котором землетрясение можно почувствовать или услышать, или предметы, подброшенные в воздух?», - в Fréchet, J., Meghraoui, M. & Stucchi, M. (eds), Современные подходы в науках о твердой Земле (т. 2), Историческая сейсмология: междисциплинарные исследования прошлых и недавних землетрясений, Springer, Dordrecht, 313–326.
31. «Факты и статистика землетрясений». Геологическая служба США. 29 ноября 2012 г. Архивировано с оригинал 24 мая 2010 г.. Получено 18 декабря, 2013.
32. «Крупнейшие землетрясения в мире с 1900 года». 30 ноября 2012 г. Архивировано с оригинал 7 октября 2009 г.. Получено 18 декабря, 2013.
33. Серебро, Нейт (2013). Сигнал и шум: искусство и наука предсказания. Лондон: Пингвин. ISBN  9780141975658.
34. Киодо (15 декабря 2012 г.). «Может случиться 10 баллов: изучение». The Japan Times. Получено 15 сентября, 2020.
35. Al-Arifi, Nassir S .; Аль-Гумидан, Саад (июль 2012 г.). «Локальная и региональная калибровка магнитуды землетрясения аналоговой подсети Табук, Северо-Запад Саудовской Аравии». Журнал Университета Короля Сауда - Наука. 24 (3): 257–263. Дои:10.1016 / j.jksus.2011.04.001.

Источники

• Болт, Б. А. (1993), Землетрясения и геологические открытия, Научная американская библиотека, ISBN  0-7167-5040-6.

• Бур, Д. М. (сентябрь 1989 г.), «Шкала Рихтера: ее разработка и использование для определения параметра очага землетрясения» (PDF), Тектонофизика, 166 (1–3): 1–14, Дои:10.1016 / 0040-1951 (89) 90200-х

• Chung, D. H .; Бернройтер, Д. Л. (1980), Региональные отношения между шкалами магнитуды землетрясений., NUREG / CR-1457.

• Gutenberg, B .; Рихтер, К. Ф. (21 февраля 1936 г.), «Обсуждение: величина и энергия землетрясений» (PDF), Наука, 83 (2147): 183–185, Bibcode:1936Научный .... 83..183Г, Дои:10.1126 / science.83.2147.183, PMID  17770563.

• Gutenberg, B .; Рихтер, К. Ф. (1956b), "Величина, интенсивность, энергия и ускорение землетрясения (Вторая статья)", Бюллетень сейсмологического общества Америки, 46 (2): 105–145.

• Хаф, С. Э. (2007), Шкала Рихтера: мера землетрясения, мера человека, Издательство Принстонского университета, ISBN  978-0-691-12807-8.

• Hutton, L.K .; Бур, Дэвид М. (декабрь 1987 г.), "The M_L масштаб в Южной Калифорнии » (PDF), Природа, 271: 411–414, Bibcode:1978Натура.271..411K, Дои:10.1038 / 271411a0.

• Канамори, Хиро (2 февраля 1978 г.), «Количественная оценка землетрясений» (PDF), Природа, 271 (5644): 411–414, Bibcode:1978Натура.271..411K, Дои:10.1038 / 271411a0.

• Рихтер, К.Ф. (Январь 1935 г.), «Инструментальная шкала магнитуды землетрясений» (PDF), Бюллетень сейсмологического общества Америки, 25 (1): 1–32.

внешняя ссылка

• Шкала Рихтера (сейсмология) на Британская энциклопедия
• Сейсмический монитор – Консорциум IRIS
• Политика USGS по магнитуде землетрясений (введена 18 января 2002 г.) - USGS
• Перспектива: графическое сравнение выделения энергии землетрясения – Центр предупреждения о цунами в Тихом океане