סיקור מקיף

להכיר את "נקודת הנוקליאציה" כדי לחזות רעידות אדמה

הממצאים, לטענת מובילי המחקר הדוקטורנט שחר גבירצמן ופרופ' ג'אי פיינברג ממכון רקח לפיסיקה, הם תחילת התשובה לשאלה בדבר קיומן של רעידות אדמה בעוצמות שונות הנוצרות מלוחות טקטוניים זהים. המחקר פורסם בכתב העת היוקרתי Nature Physics

מבנה שנהרס ברעידת אדמה.  <a href="https://depositphotos.com. ">המחשה: depositphotos.com</a>
מבנה שנהרס ברעידת אדמה. המחשה: depositphotos.com

שטח המגע בין כל שני גופים אינו רציף ומורכב ממגעים בדידים הלחוצים זה לזה, ובהם מתרחש המגע בפועל. בתהליך החיכוך, כאשר גוף אחד מנסה להחליק על הגוף השני, המגעים הלחוצים מתנגדים לתנועה, וכדי שתתאפשר החלקה הם צריכים להישבר/להתנתק. רגע שבירת המגעים ושחרור האנרגיה הכרוך בכך מוכר גם כרעידת אדמה, כאשר שני הגופים הם לוחות טקטוניים הנעים אחד לעומת השני. דוגמה רלוונטית לישראל היא כמובן החיכוך בין הלוח הערבי ללוח ישראל-סיני, לאורך השבר הסורי אפריקאי, הנפרש לאורך בקעת הירדן. מכיוון שהמגעים הלחוצים מתנגדים לתנועה, ההחלקה היחסית בין הלוחות איננה החלקה איטית ורציפה, אלא מתרחשת ב'קפיצות' חדות ומהירות. בכל קפיצה כזו נשברים המגעים, משתחררת האנרגיה האגורה בהם ורק אז מתאפשרת החלקה, שלאחריה המערכת 'נתקעת' שוב ומתחילה לצבור אנרגיה עד לרעידת האדמה הבאה.

גל שבירה

בשנים האחרונות הראו מחקרים כי בעת רעידת אדמה, המגעים אינם נשברים כולם 'בבת אחת', אלא בתהליך הדרגתי שבו הם נשברים אחד אחרי השני, כך שניתן להגדיר מעין 'גל שבירה' המתקדם במהירות לאורך השבר, שובר את המגעים ומאפשר את ההחלקה. הגלים הללו תועדו בפרוטרוט, וכיום החוקרים יודעים להגיד הרבה על המאפיינים של גלי שבירה אלו, מהירות ההתקדמות שלהם, תנאי העצירה שלהם ועוד. לעומת זאת, הרבה פחות ידוע על תהליך ה'נוקליאציה' של השבירה, כלומר איך נוצר השבר הראשוני שממנו מתפתחים גלי השבירה. אחת הסיבות לכך היא שקשה לחזות את המיקום בו תתחיל השבירה הראשונית ואת התנאים בנקודה זו, ולכן קשה למדוד את התהליך בצורה טובה. מחקר חדש שפורסם בכתב העת היוקרתי Nature Physics בהובלת הדוקטורנט שחר גבירצמן ופרופ' ג'אי פיינברג – שניהם ממכון רקח לפיסיקה באוניברסיטה העברית, ניסה לבחון את תהליך תחילת השבר ברעידת אדמה.

אחת ההבנות ממנה יצאו החוקרים לדרך, היא שלא בלבד שאין ביכולתנו לחזות מתי תתרחש רעידת אדמה, גם אין ביכולתנו לחזות את גודלה – גם כשמדובר באותם לוחות טקטוניים הנמצאים באותו מערך לחצים, הקפיצות המתקבלות יכולות להיות בגדלים שונים, ובכמות שונה של אנרגיה המשתחררת בכל פעם. "במילים אחרות, למרות שהתנאים הגלובאליים היוצרים את רעידות האדמה בישראל אינם משתנים, יכולות להיווצר באותו השבר רעידות קטנות שכלל לא מורגשות, כמו גם רעידות חזקות היוצרות נזקים עצומים. אותה אי-וודאות מתרחשת בכל תנועה של גופים בחיכוך, ולמעשה רעידות אדמה בגדלים שונים הן ביטוי נוסף לבעייתיות בתיאור הפיסיקלי המסורתי לפיו תחילת התנועה של גוף נקבעת על ידי 'מקדם חיכוך' אופייני, שהוא מספר קבוע שתלוי רק בסוג החומר", מסביר פרופ' פיינברג.

המחקר החדש הראה כי מקור השונות בעוצמת רעידות האדמה הוא בתהליך הנוקליאציה הראשוני שיצר אותן. במסגרת המחקר צילמו חוקרים במעבדה של פרופ' פיינברג בזמן אמת וברזולוציה גבוהה את שטח המגע בין שני גופים, עליהם מופעלים לחצים, ותעדו את גלי השבירה המהירים (רעידות האדמה) הנעים ביניהם, שוברים את המגעים ומאפשרים את ההחלקה. הם ייצרו, למעשה, 'רעידות אדמה' מיניאטוריות במעבדה. באמצעות טכניקה חדשה המאפשרת שליטה במיקום נקודת תחילת השבירה, החוקרים התמקדו בהתפשטות האיטית של אזור השבירה הראשוני, ומצאו שהשטח השבור גדל באיטיות רבה עד להגעה לרגע קריטי, שבו הוא גדל מעבר לגודל המינימלי הדרוש ליצירת גל השבירה. ברגע זה, המהווה את 'יריית הפתיחה' של רעידת האדמה, השבירה מואצת ומתחילה לנוע כגל מהיר, באופן המוכר ממחקרים קודמים. עוד הם גילו כי בשונה מהשלב המאוחר יותר של הגל המהיר, שבו ההתקדמות אינה תלויה במיקום המדויק לאורך השבר, הרי ששלב ההגעה לגודל הקריטי תלוי גם בנקודת הנוקליאציה עצמה. מאפיינים כמו הלחצים המקומיים ופיזור המגעים הספציפי באזור הנוקליאציה הם אלו שקובעים, למשל, את הזמן הכולל שייקח למערכת להגיע לאותו רגע קריטי.

אותם לוחות – עוצמות שונות של רעידות אדמה

הממצאים, לטענת החוקרים, הם תחילת התשובה לשאלה בדבר קיומן של רעידות אדמה בעוצמות שונות הנוצרות מלוחות טקטוניים זהים. בעוד המאפיינים הגלובליים (הרכב הלוחות, קצב התנועה שלהם, הלחצים המופעלים עליהם) הם זהים, מאפייני רעידת האדמה תלויים במידה רבה במאפיינים הלוקאליים בנקודת הנוקליאציה, שמשתנה בכל פעם. "ניתן להמשיל זאת לשריפה הנגרמת ממזג אויר של יובש קיצוני (האנרגיה האצורה ומחכה להשתחרר), אך מאפייניה ותחילתה תלויים בגפרור הספציפי שיצית אותה (תהליך הנוקליאציה), ובתזמון שבו הוא יגיע", מסביר זאת גבירצמן. "התיעוד המחקרי המפורט של תהליך הנוקליאציה הוא פתח להבנה טובה יותר של התהליכים המקדימים רעידת אדמה, וגם יכול לסייע להבנה כללית על תופעת החיכוך ושל תחומים קשורים כמו היווצרות סדקים בחומר". 

למאמר המדעי

עוד בנושא באתר הידען:

שיתוף ב print
שיתוף ב email
שיתוף ב whatsapp
שיתוף ב linkedin
שיתוף ב twitter
שיתוף ב facebook
לוגו אתר הידען
דילוג לתוכן