רעידות

רעידות אדמה מתחוללות כאשר שני לוחות טקטוניים המרכיבים את קרום כדור-הארץ מחליקים זה כנגד זה, והאנרגיה הנאגרת במישור החיכוך ביניהם משתחררת בתוך פרק זמן קצר. למעשה, הקרקע זזה מתחת לרגלינו בתכיפות גבוהה מזו שאנו מודעים לה. מתברר, שקיים סוג נוסף של רעידת אדמה – הקרוי רעידה "איטית" או "שקטה" – אשר אינו מלווה בשחרור מהיר של אנרגיה ובתנודות קרקע חזקות. רעידות כאלה נמשכות פרקי זמן ארוכים - פי מאות ויותר – במשך שעות ואפילו ימים. סך כל שחרור האנרגיה עשוי להיות דומה בשני סוגי רעידות האדמה, אבל בגלל קצב השחרור האיטי של הרעידות השקטות, הן אינן מורגשות.

ד"ר ערן בוכבינדר, מהמחלקה לפיסיקה כימית שבפקולטה לכימיה במכון ויצמן למדע, אומר שרעידות איטיות הן תופעה נפוצה. פיתוחן של שיטות חדישות למדידות גיאופיסיות בתנאי שטח ובמעבדה מאפשר למדענים לגלות אותן ואת שכיחותן. חוקרים רבים מבקשים להבין את העקרונות העומדים בבסיס הרעידות האיטיות האלה: האם הגורמים הפיסיקליים המשפיעים עליהן זהים לאלה של הרעידות המהירות? מה קובע את מהירותן? קיימים רמזים לכך שבמקרים מסוימים, רעידות איטיות מקדימות את הסוג המהיר, אבל כיום עדיין אי-אפשר לחזות אילו רעידות יובילו לאירוע הרסני.

 

במחקר שהתפרסם באחרונה בכתב-העת המדעי Geophysical Research Letters מתארים ד"ר בוכבינדר וחברי קבוצתו כיצד פיתחו מודל מתמטי, שלפיו הרעידות האיטיות נשלטות על-ידי חוקים פיסיקליים שונים מעט – דבר שמסביר את הקצב האיטי, יחסית, שלהן.

 

שני סוגי רעידת האדמה כרוכים בתנועה של משטחי מגע מתחככים. משטחים כאלה קיימים במערכות פיסיקליות רבות, והם ממלאים תפקיד מרכזי בתופעות שונות המתרחשות בקני-מידה שונים – החל בהתקנים ננומטריים ובמנועים ביולוגים זעירים, וכלה בלוחות הטקטוניים עצומי-הממדים שבקרום כדור-הארץ. לחוזקם וליציבותם של משטחים אלה יש חשיבות גדולה ובסיסית: כאשר הם מתערערים, התוצאה עלולה להיות הרת אסון.

 

שבירה של משטחי חיכוך קשורה ביחסי גומלין בין שני גורמים: האנרגיה האלסטית האצורה בגופים, וההתנגדות הנוצרת במשטח המגע בעקבות החיכוך. שני גופים – לדוגמה, שני משטחים טקטוניים, או צמיג של רכב וכביש – נתונים בדרך כלל להשפעת כוחות הדוחפים אותם זה אל זה, והמגע ביניהם גורם לחיכוך. בנוסף, כוחות הפועלים במקביל למשטח בין הגופים, הקרויים כוחות גזירה, דוחפים את שני הגופים להחליק זה על פני זה. במילים אחרות, כוח הגזירה דוחף לתנועה של הגופים, ואילו כוח החיכוך מתנגד לתנועה זו. כל עוד גוברת ההתנגדות שיוצר החיכוך על כוחות הגזירה, המשטח והגופים שהוא מחבר נשארים תקועים במקום. אך כאשר כוחות הגזירה גוברים על התנגדות החיכוך, מתרחשת החלקה, אותה מלווים שברים המתקדמים לאורך המשטח. מהירות השבירה היא שקובעת האם האנרגיה האלסטית – שלעיתים מצטברת במשך תקופה ארוכה מאוד,
כשכוחות הגזירה פועלים כנגד כוח החיכוך – תשוחרר בבת אחת, או באיטיות. ברעידה המהירה, קצב התקדמות השבירה מוגבל רק על-ידי מהירות הקול – כלומר, מספר קילומטרים לשנייה במוצקים רגילים.

 

ד"ר בוכבינדר התעניין בשאלה: מה גורם לרעידות האיטיות להיות איטיות? האם המהירות שלהן היא למעשה חלק קטן ממהירות הקול, או שמדובר בגודל פיסיקלי שונה?

 

כדי לענות על השאלה, השתמשו ד"ר בוכבינדר וצוות המחקר שלו, שכלל את תלמיד המחקר יוחאי בר סיני, ואת ד"ר ייפים ברנר, מדען אורח ממכון פטר גרונברג בגרמניה, במדידות גיאופיסיות, וכן בנתונים שנאספו בקבוצה של פרופ' ג'יי פיינברג מהאוניברסיטה העברית בירושלים, המדמה רעידות אדמה במעבדה. בהתבסס על נתונים אלה פיתח צוות המדענים מודל חדש, אשר מציע הסבר אפשרי לדינמיקה של הרעידות האיטיות.

 

לפי המודלים המקובלים, התנגדות החיכוך יורדת ככל שהמהירות עולה: החלקה מהירה יותר היא גם קלה יותר. זאת הסיבה לכך שמהירות השבירה של משטחי חיכוך נוטה להאיץ עד שהיא מתקרבת לגבול – מהירות הקול. לפי המודל החדש, התנגדות החיכוך מתנהגת, בתחילה, כמו במודלים הקודמים, ויורדת עם עליית המהירות. אבל, בנקודה מסוימת, התופעה מתהפכת, והחיכוך עולה שוב בהדרגה.

 

תופעת הרעידה האיטית מתרחשת, כנראה, סביב הנקודה במודל שבה רמות החיכוך מגיעות לשפל, ומתחילות שוב לעלות. מהירות השבירה, במקרה הזה, נקבעת ברובה על-ידי תכונות החיכוך של המשטח, ולא על-ידי מהירות הקול, ולכן היא עשויה להיות איטית הרבה יותר.

 

ד"ר בוכבינדר וחברי הצוות שלו מתכוונים להמשיך לבחון את המודל בחישובים מורכבים יותר, ולהשוות את התוצאות שלהם למדידות ניסיוניות, במטרה ליצור כלי מחקר שימושי להבנת הכשל של משטחי חיכוך, וביניהם רעידות האדמה.