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研究人员实现对马特洪峰谐振摇摆的测量和计算机模拟

2021-12-24 21:36 · 稿源: cnbeta

马特洪峰看起来是一座不可移动的巨大山峰,数千年来一直耸立在采尔马特附近的风景中。现在一项研究表明,这种印象是错误的。一个国际研究小组已经证明,马特洪峰不仅不是静态的,反而不断地在运动,大约每两秒钟就轻轻地来回摇摆一次。这种通常难以察觉的微妙振动是由地球上来自世界海洋、地震以及人类活动的地震能量所带动的。

每个物体在受到刺激时都会以一定的频率振动,如音叉或吉他的琴弦。这些所谓的自然频率主要取决于物体的几何形状和它的材料特性。这种现象在桥梁、高层建筑,甚至现在的山峰上也能观察到。

Samuel Weber说:"我们想知道这种共振振动是否也能在像马特洪峰这样的大山上检测到。"他在慕尼黑工业大学(TUM)滑坡研究教授的博士后期间开展了这项研究,现在在WSL雪崩研究所SLF工作。他强调,苏黎世联邦理工学院的瑞士地震局、苏黎世联邦理工学院的计算机工程和通信网络研究所以及犹他大学(美国)的地质灾害研究小组的研究人员之间的跨学科合作对于这个项目的成功尤为重要。

为了实现这项研究,科学家们在马特洪峰上安装了几个地震仪,其中一个直接安装在海拔4470米的山顶上,另一个安装在Solvay bivouac,一个位于东北山脊上的紧急避难所,也就是更有名的Hörnligrat。山脚下的另一个测量站则作为参考。Jan Beutel(苏黎世联邦理工学院/因斯布鲁克大学)和Samuel Weber过去在高山上安装测量岩石运动的设备的丰富经验使测量网络的部署成为可能。这些数据被自动传送到瑞士地震局。

地震仪以高分辨率记录了山体的所有运动,团队可以从中得出共振的频率和方向。测量结果显示,马特洪峰大致在南北方向以0.42赫兹的频率振荡,而在东西方向以第二种类似的频率振荡(见动画)。反过来,通过将这些环境振动测量速度提高80倍,研究小组能够使人耳听到马特洪峰的振动景观,将共振频率转化为可听音调。

山顶上被放大的振动

与马特洪峰脚下的参考站相比,在山顶测得的运动强度最高达14倍。对于研究小组的大多数数据来说,这些运动都很小,通常在纳米到微米的范围内。地面运动随高度的增加可以解释为山顶自由移动而山脚是固定的,相当于一棵在风中摇摆的树。马特洪峰上的这种地面运动放大也可以在地震时测量到,研究小组指出这种放大可能对发生强烈地震时的斜坡稳定性有重要影响。发起马特洪峰研究的犹他大学的Jeff Moore解释说。"经历了放大的地面运动的山体区域,在受到强震摇晃时,可能更容易发生滑坡、落石和岩石破坏"。

这种振动并不是马特洪峰特有的,研究小组指出,许多山脉都会以类似的方式进行振动。作为研究的一部分,瑞士地震局的研究人员在Grosse Mythen进行了一个补充实验。这座位于瑞士中部的山峰与马特洪峰的形状相似,但明显较小。正如预期的那样,Grosse Mythen的振动频率比马特洪峰高四倍左右,因为较小的物体通常振动的频率较高。来自犹他大学的科学家们随后能够在计算机上模拟马特洪峰和格罗斯迈腾的共振,使这些共振振动变得清晰可见。在此之前,美国科学家主要研究了较小的物体,如犹他州拱门国家公园的岩石拱门。"杰夫-摩尔说:"看到我们的模拟方法对马特洪峰这样的大山也有效,而且结果得到了测量数据的证实,这令人激动。"

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