Антропогенный сейсмический шум ослаб во время пандемии
Ученые установили, что ограничения в период пандемии COVID-19 повлекли за собой многомесячное снижение высокочастотного антропогенного сейсмического шума на уровне до 50 процентов. Это самый длительный и заметный из зарегистрированных периодов затухания такого шума — по словам исследователей, он поможет обнаружить слабые сигналы от подземных источников и оценить общий вклад шума человеческого происхождения в сейсмические данные. Статья опубликована в журнале Science.
Хотя сейсмографы предназначены для регистрации и предсказания землетрясений, эти приборы регистрируют все типы сейсмических волн — в том числе антропогенный шум. В условиях города такой шум чаще всего связан с повседневной деятельностью человека и потому представляет собой практически непрерывный сигнал от совокупности источников — в том числе, транспорта и промышленных предприятий. Эти колебания постоянно улавливаются сейсмографами и могут препятствовать регистрации слабых подземных толчков — предвестников опасных геологических событий.
Следовательно, чтобы заблаговременно предсказывать такие события, необходимо научиться выделять слабые сигналы на фоне антропогенного шума — а для этого, в свою очередь, нужно изучать характер самого шума. Однако здесь возникает целый ряд трудностей — множество вероятных источников перекрываются друг с другом во времени и меняют положение в пространстве, измерительные центры расположены неоднородно, а контролировать общественную активность ради сейсмологических экспериментов почти невозможно. В результате глобальный и долгосрочный вклад человеческой деятельности в сейсмический шум остается почти неисследованным.
Ученые из 25 стран под руководством Томаса Лекока (Thomas Lecocq) из Королевской обсерватории Бельгии занялись изучением глобального влияния антропогенных факторов на сейсмический шум. Для этого авторы проанализировали архивные данные с 337 сейсмических станций по всему миру за последние месяцы: с декабря 2019 года по май 2020, обращая при этом внимание на корреляции между изменениями уровня шума и введением в данном регионе ограничительных мер из-за пандемии COVID-19. Чтобы выделить шум, который обусловлен человеческой деятельностью, исследователи выделили частотную полосу сигналов в 4–14 герц, а для повышения качества выборки — отсеивали станции с длительными перерывами в регистрации или сбоями в работе приемников. Кроме того, в ходе работы учитывались вариации плотности населения — ученые сравнивали данные, которые были собраны в густонаселенных регионах и отдаленной от городов местности.
В результате авторы обнаружили снижение сейсмического фона на 185 из 268 станций, привлеченных к обработке данных — глобальный медианный уровень антропогенного шума в этих регионах в период с марта по май 2020 года уменьшился примерно на 50 процентов. Несмотря на то, что в густонаселенной местности влияние ограничений в среднем было более существенным, ученые выявили затухание фона и в регионах с плотностью населения порядка 1 человека на 5 квадратных километров, что может свидетельствовать о высокой чувствительности приборов к пространственно удаленным антропогенным источникам. В частности, исследователи сравнили данные двух подземных станций в Новой Зеландии — одна из них расположена на глубине 380 метров в Окленде, а другая — в 14 километрах от городского центра, на глубине 98 метров под поверхностью необитаемого острова Мотупату: несмотря на разницу в положении, сейсмографы на обеих станциях зарегистрировали примерно двукратное снижение шума во время карантина.
Кроме того, авторы отмечают, что снижение шума вблизи учебных заведений Бостона, Мичигана и Корнуолла составило на 20 процентов больше, чем аналогичное снижение в период каникул — это также служит доводом о широкой пространственной чувствительности сейсмографов к антропогенному шуму.
Ученые полагают, что в дальнейших исследованиях такое длительное и значительное затухание сейсмического фона позволит обнаружить в архивных данных активность ранее недоступных для регистрации подземных толчков и расширит наши знания об их источниках, а также поможет оценить уровень антропогенного шума и качественнее настраивать системы его фильтрации.
Ранее мы рассказывали о том, как пандемия отразилась на московской геофизической обстановке и как сейсмологам удалось проследить историю войны в Ираке.
Николай Мартыненко
Для этого он снимал на видео и моделировал работу этой игрушки
Американский физик экспериментально и теоретически исследовал вращение нити в стрингшутере — игрушке, в которой небольшие вращающиеся колеса формируют в воздухе стабильные нитевые петли. Построенная ученым модель хорошо объяснила опыт и при этом оказалась достаточно простой, чтобы использовать ее на занятиях по механике. Исследование опубликовано в The Physics Teacher. Стрингшутер (иногда струнный шутер) — это игрушка, представляющая собой длинную замкнутую нить, вращающуюся вдоль своей длины под действием управляющих колесиков или валов подобно лассо. Замечательная особенность стрингшутера в том, что при правильных условиях в воздухе образуется стабильная веревочная петля, по которой можно запускать волны. Этот факт привлек внимание физиков сравнительно недавно и получил удовлетворительное математическое объяснение. Вместе с тем, игрушка могла бы стать хорошим дидактическим материалом при изучении физики, поэтому было бы полезно построить достаточно простую теорию, описывающую петлю, но в то же время объясняющую эксперимент. Сделать это удалось Карлу Мамола (Karl Mamola) из Аппалачского университета. Он записал систему простых уравнений для петли стрингшутера и численно решил их, сравнив результат с вращением нити в настоящей игрушке, а также показал, откуда возникает ее устойчивость. Чтобы двигающаяся петля оставалась в равновесии, необходимо, чтобы была равна нулю не только действующая на нее равнодействующая сила, но и полный момент сил. Особенность игрушки в том, что колеса не создают такого момента, поскольку прилагаемая ими сила имеет нулевое плечо. Аэродинамической подъемной силы в этом случае также не возникает из-за того, что воздушный поток вокруг нити симметричный. Вместо этого воздух создает силу сопротивления, зависящую от скорости. А поскольку модуль скорости постоянен вдоль нити, то таким же свойством обладает и сила сопротивления. Ее интегральное действие на всю петлю формирует момент сил, направленный противоположно гравитационному моменту и обеспечивающий равновесие. С учетом этого факта физик рассмотрел бесконечно малый участок нерастяжимой и абсолютно гибкой нити и записал для него второй закон Ньютона для движения и вращения. Численное интегрирование этих уравнений способно восстановить форму петли, для чего ученому нужны были какие-то конкретные параметры петли. Он взял их из эксперимента с реальной игрушкой, произведенной фирмой LoopLasso, с нитью стрингшутера длиной 3,08 метра и массой 2,72 грамма и диаметром колес 2,7 сантиметра. Боковая фотография нити и ее последующая оцифровка позволили получить координаты участков петли и ее общие параметры: размер, угол запуска и угол возврата. Также физик пометил один из участков нити маркером, что позволило вычислить скорость нити по видео — она составила 7,5 метра в секунду. Автор использовал добытые параметры в моделировании. Единственную неизвестную величину — коэффициент сопротивления — он извлек из подгонки с наилучшим соответствием. Результаты моделирования оказались в хорошем согласии с опытом. Отклонения наблюдались только в области большой кривизны — физик связал это с невыполнением требования абсолютной гибкости. На основе развитой модели он также показал, что момент силы тяжести уравновешивается сопротивлением воздуха вдоль всей нити. Ранее мы рассказывали, как физики объясняют механику других повседневных вещей и явлений: падения бутерброда маслом вниз, живучесть кошек при падении с высоты и переноску чашки с кофе.