تحدث الزلازل عندما تنزلق الصفائح التكتونية التي تشكل القشرة الأرضية ضد بعضها البعض، وتنطلق الطاقة المخزنة في مستوى الاحتكاك بينهما خلال فترة زمنية قصيرة
تحدث الزلازل عندما تنزلق الصفائح التكتونية التي تشكل القشرة الأرضية ضد بعضها البعض، ويتم إطلاق الطاقة المخزنة في مستوى الاحتكاك بينهما خلال فترة قصيرة من الزمن. في الواقع، تتحرك الأرض تحت أقدامنا في كثير من الأحيان أكثر مما ندرك. وتبين أن هناك نوعًا آخر من الزلازل - يسمى الزلزال "البطيء" أو "الهادئ" - والذي لا يصاحبه إطلاق سريع للطاقة واهتزازات أرضية قوية. تستمر مثل هذه الاهتزازات لفترات طويلة من الزمن - مئات المرات - لساعات وحتى أيام. قد يكون إجمالي إطلاق الطاقة متشابهًا في كلا النوعين من الزلازل، ولكن بسبب معدل الإطلاق البطيء للهزات الهادئة، لا يتم الشعور بها.
يقول الدكتور إيران بوشبيندر، من قسم الفيزياء الكيميائية في كلية الكيمياء في معهد وايزمان للعلوم، إن الاهتزازات البطيئة هي ظاهرة شائعة. إن تطوير الأساليب الحديثة للقياسات الجيوفيزيائية في الظروف الميدانية والمخبرية يسمح للعلماء باكتشافها وانتشارها. يسعى العديد من الباحثين إلى فهم المبادئ التي تقوم عليها هذه الاهتزازات البطيئة: هل العوامل الفيزيائية التي تؤثر عليها هي نفس العوامل التي تؤثر على الاهتزازات السريعة؟ ما الذي يحدد سرعتهم؟ هناك تلميحات إلى أنه في بعض الحالات، تسبق الهزات البطيئة النوع السريع، لكن اليوم لا يزال من المستحيل التنبؤ بأي الهزات ستؤدي إلى حدث مدمر.
وفي دراسة نشرت مؤخرا في المجلة العلمية Geophysical Research Letters، يصف الدكتور بوشبيندر وأعضاء مجموعته كيف طوروا نموذجا رياضيا، يتم بموجبه التحكم في الاهتزازات البطيئة من خلال قوانين فيزيائية مختلفة قليلا - وهو ما يفسر وتيرتها البطيئة نسبيا .
يتضمن كلا النوعين من الزلازل حركة فرك الأسطح الملامسة. توجد مثل هذه الأسطح في العديد من الأنظمة الفيزيائية، وتلعب دورًا مركزيًا في العديد من الظواهر التي تحدث على مستويات مختلفة - بدءًا من الأجهزة النانومترية والمحركات البيولوجية الصغيرة، وانتهاءً بالصفائح التكتونية الهائلة في القشرة الأرضية. إن قوة واستقرار هذه الأسطح لها أهمية كبيرة وجوهرية: فعندما يتم تقويضها، يمكن أن تكون النتيجة كارثية.
ويرتبط كسر أسطح الاحتكاك بالعلاقات المتبادلة بين عاملين: الطاقة المرنة المخزنة في الأجسام، والمقاومة التي تنشأ في سطح التلامس نتيجة الاحتكاك. جسمان - مثلا سطحان تكتونيان، أو إطار سيارة وطريق - يتعرضان عادة لتأثير قوى تدفعهما معا، ويتسبب الاتصال بينهما في حدوث احتكاك. بالإضافة إلى ذلك، فإن القوى المؤثرة بالتوازي مع السطح بين الجسمين، والتي تسمى قوى القص، تدفع الجسمين إلى الانزلاق بجانب بعضهما البعض. بمعنى آخر، قوة القص تدفع الأجسام إلى الحركة، بينما قوة الاحتكاك تعاكس هذه الحركة. وطالما أن المقاومة الناتجة عن الاحتكاك تزداد على قوى القص، فإن السطح والأجسام التي يربطها تظل عالقة في مكانها. ولكن عندما تتغلب قوى القص على مقاومة الاحتكاك، يحدث الانزلاق الذي يصاحبه كسور تتقدم على طول السطح. إن سرعة الانكسار هي التي تحدد ما إذا كانت الطاقة المرنة - التي تتراكم أحيانًا على مدى فترة زمنية طويلة جدًا - أم لا.
عندما تعمل قوى القص ضد قوة الاحتكاك - سيتم تحريرك دفعة واحدة، أو ببطء. في الاهتزاز السريع، يكون معدل تطور الكسر محدودًا فقط بسرعة الصوت، أي عدة كيلومترات في الثانية في المواد الصلبة العادية.
اهتم الدكتور بوشبيندر بالسؤال: ما الذي يجعل الاهتزازات البطيئة بطيئة؟ هل سرعتها في الواقع جزء صغير من سرعة الصوت، أم أن حجمها المادي مختلف؟
للإجابة على السؤال، استخدم الدكتور بوشبيندر وفريقه البحثي، الذي ضم الطالب الباحث يوهاي بار سيناي، والدكتور ييب برينر العالم الزائر من معهد بيتر جرونبيرج في ألمانيا، القياسات الجيوفيزيائية، بالإضافة إلى البيانات التي جمعها البروفيسور. مجموعة جي فاينبرج من الجامعة العبرية في القدس، والتي تحاكي الزلازل في المختبر. وبناء على هذه البيانات، طور فريق العلماء نموذجا جديدا يقدم تفسيرا محتملا لديناميات الاهتزازات البطيئة.
وفقًا للنماذج التقليدية، تقل مقاومة الاحتكاك مع زيادة السرعة: ويكون الانزلاق الأسرع أسهل أيضًا. وهذا هو السبب الذي يجعل سرعة كسر أسطح الاحتكاك تميل إلى التسارع حتى تقترب من الحد الأقصى - سرعة الصوت. ووفقا للنموذج الجديد فإن مقاومة الاحتكاك تتصرف في البداية كما في النماذج السابقة، وتتناقص مع زيادة السرعة. ولكن، عند نقطة معينة، تنعكس الظاهرة، ويزداد الاحتكاك تدريجيًا مرة أخرى.
من المحتمل أن تحدث ظاهرة الاهتزاز البطيء حول النقطة في النموذج حيث تنخفض مستويات الاحتكاك وتبدأ في الارتفاع مرة أخرى. سرعة الانكسار، في هذه الحالة، تتحدد إلى حد كبير من خلال خصائص الاحتكاك للسطح، وليس من خلال سرعة الصوت، لذلك قد تكون أبطأ بكثير.
ويعتزم الدكتور بوشبيندر وأعضاء فريقه مواصلة اختبار النموذج بحسابات أكثر تعقيدًا، ومقارنة نتائجهم بالقياسات التجريبية، بهدف إنشاء أداة بحثية مفيدة لفهم فشل أسطح الاحتكاك، بما في ذلك الزلازل.
