Foto: Thorkild Amdi Christensen

På en skrøbelig planet

fredag 28 feb 14
|
af Morten Andersen

James (Jim) R. Rice

Jim Rice beklæder et dobbelt professorat ved to afdelinger af Harvard University, dels Department of Earth and Planetary Sciences, dels School of Engineering and Applied Sciences. 

Han har modtaget en lang række videnskabelige hædersbevisninger og ærestitler, bl.a. Timoshenkomedaljen, samt medlemskab af det britiske Royal Society, og de amerikanske National Academy of Sciencea samt National Academy of Engineering. 

Han holdt sin H.C. Ørstedforelæsning på DTU i efteråret 2013.

Selvom han ’kun’ er ingeniør, har Jim Rice bidraget markant til den videnskabelige forståelse af geofysikken bag jordskælv. I dag mener han, at løsningerne skal findes i ingeniørvidenskaben.

De seneste godt 30 år af sin karriere har James (eller Jim) R. Rice tilbragt i fronten af den internationale geofysiske forskning med hovedvægt på jordskælv. I dag mener han, at løsningerne skal findes der, hvor han selv startede: i ingeniørvidenskaben. 

”Vores forståelse af jordskælv er blevet markant bedre. Men ønsket om at kunne forudse kommende jordskælv ud fra seismiske data er ikke blevet indfriet. Samtidig er forskellige tanker om at dæmpe jordskælvenes styrke løbet ud i ingenting. Derfor er vi nødt til at vende os mod ingeniørvidenskaben for at finde løsninger. Først og fremmest må designet af huse og andre konstruktioner forbedres yderligere. Ingeniører kan også spille en nøglerolle ved at udvikle modeller, som kan være udgangspunktet for byggestandarder og landskabsplanlægning, der tager højde for risikoen for jordskælv i konkrete områder,” siger Jim Rice, der beklæder et dobbelt professorat ved to afdelinger af Harvard University, dels Department of Earth and Planetary Sciences, dels School of Engineering and Applied Sciences. 

Efter sin afsluttende eksamen ved Lehigh University i 1964 kunne Jim Rice kalde sig ingeniør med speciale i anvendt mekanik. Det lå på ingen måde i kortene, at han skulle tilbringe en stor del af sin fremtidige karriere med at studere de voldsomme kræfter, der får jorden til at ryste og årligt forårsager tusinder af døde og omfattende materielle skader. 

Ny matematik for revnedannelser 

I de første ti år af sin karriere udviklede Jim Rice en række modeller og matematiske værktøjer til brug for studier af materialers plasticitet og brud. Metoderne viste sig hurtigt særdeles praktisk anvendelige – de er fortsat i udbredt industriel og videnskabelig anvendelse inden for materialeforskningen – men gradvist blev han tiltrukket af et helt andet felt. 

”På det tidspunkt var der en gryende bevidsthed i det videnskabelige samfund om, at mekanismerne ved jordskælv på mange måder minder om dem, som materialeforskere står over for i forbindelse med studier af revnedannelser. En række russiske forskere var tidlige fortalere for det synspunkt. Jeg indså, at de havde en pointe, og også at jeg selv ville kunne bidrage.” 

Det såkaldte J-integrale er et eksempel på den matematik, som Jim Rice udviklede i slutningen af 1960’erne. Navnet er inspireret af K-funktionen, som er et klassisk redskab, når man vil beregne intensiteten af mekanisk spænding. J-integralet kan bruges til at beregne, om en opstået revne i et materiale med en given plasticitet kan forventes at ’løbe’ eller blot vil beholde sin nuværende form. I forhold til traditionelle metoder var J-integralet væsentligt enklere at anvende, fordi man blot behøvede data for spændingsforholdene i selve spidsen af revnen. Jim Rice udviklede denne og andre tilsvarende metoder med tanke på anvendelser især for emner i stål, men han indså, at de i lige så høj grad kunne bruges inden for geofysik. 

”Uanset om man interesserer sig for et industrielt materiale i mikrometerskala eller for flere kilometers jordlag, så er den underliggende matematik stort set ens. Grundlæggende betragter jeg alt, hvad jeg beskæftiger mig med, som mekanisk dynamik.” 

Kan ikke forudsiges 

Et væsentligt bidrag, som Jim Rice og hans kolleger har ydet til geofysikken, er en forbedret forståelse af, hvordan jordskælv kan udløse kaskader af revner. Man ser ofte, at selvom en revne stopper, overføres den mekaniske spænding i undergrunden. Resultatet bliver, at der åbner sig en ny revne et stykke fra den første. Tidligere var fænomenet dårligt belyst, men i dag er det godt beskrevet.

"Da jeg begyndte inden for feltet, havde vi virkelig store forhåbninger om, at vi ville blive i stand til at forudsige jordskælv. Efter godt 30 års indsats er det min fornemmelse, at det aldrig vil lykkes."
Jim Rice, professor, Harvard University

Tilsvarende er det lykkedes at løse en gammel gåde i geofysikken. De fleste typer af jordbund har høje friktionskoefficienter. Så når to underjordiske klippelag gnubber sig mod hinanden, som det ofte sker forud for et jordskælv, skulle man tro, at der ville blive udløst en betydelig mængde friktionsvarme. Alle forsøg på at måle denne varme i praksis er imidlertid slået fejl. For de væsentligste jordarter har Jim Rice og hans gruppe forklaret de mekanismer, som gør, at der stort set ingen varmeudvikling finder sted. 

Jim Rice giver interviewet i forbindelse med et besøg på DTU som H.C. Ørsted-foredragsholder. Trods visheden om, at han må have fået spørgsmålet utallige gange tidligere, er der ingen vej uden om: Hvornår bliver vi i stand til at forudsige jordskælv? 

”Da jeg begyndte inden for feltet, havde vi virkelig store forhåbninger om, at vi ville blive i stand til at forudsige jordskælv. Efter godt 30 års indsats er det min fornemmelse, at det aldrig vil lykkes,” svarer han med et beklagende smil. 

”Vi kan selvfølgelig godt køre noget statistik på tidligere hændelser og sige ud fra det, at bestemte områder har højere risiko end andre, men desværre har vi ikke gjort nævneværdige fremskridt inden for at koble seismiske data med forudsigelser af konkrete fremtidige jordskælv. Praktisk talt alle jordskælv opstår uden noget forudgående varsel.” 

Jorden er skrøbelig som glas 

Man hører ofte økologer betegne Jorden som skrøbelig i overført betydning. Harvard-professoren mener det bogstaveligt: ”Jordens skorpe består af mange forskellige jordarter, men for en materialeforsker svarer det overordnede indtryk til glas. En glaskugle er meget modstandsdygtig over for mekanisk stress, men når påvirkningen først bliver stærk nok til at skabe en revne, så falder modstandskraften i den samlede struktur dramatisk nærmest omgående. Det samme ser vi i forbindelse med jordskælv.” 

”Konsekvensen er, at selvom vi måske nok kan måle en vis forhøjet spænding i undergrunden, så har vi ingen metode til at forudsige, hvornår spændingen vil nå et skadeligt niveau. Det svarer til glaskuglen, der holder sin form helt til det punkt, hvor den pludselig kollapser.” 

Foto: Thorkild Amdi Christensen
Koncentrerede tilhørere til professor Jim Rice's forelæsning på DTU i efteråret 2013. Her kunne Jim Rice blandt andet konstatere, at praktisk talt alle jordskælv opstår uden forudgående varsel. (Foto: Thorkild Amdi Christensen)

“Så alt i alt må jeg tilslutte mig Niels Bohrs berømte bemærkning om, at ’det er svært at spå – især om fremtiden’,” siger Jim Rice. (I betragtning af at han hidtil kun har besøgt Danmark flygtigt et par gange i starten af sin karriere, skal han være undskyldt for ikke at vide, at hverken Niels Bohr eller Storm P., som mange tror, står bag denne talemåde, der blev udbredt i Danmark i 1930’erne, men uden at ophavsmanden kendes.) 

Relevante data er uden for rækkevidde 

Men i de situationer, hvor der opstår en revne i Jordens overflade, burde vi så ikke kunne forudsige, om revnen vil ’løbe’ eller bevare sin nuværende form på samme måde, som Jim Rice var i stand til at gøre inden for materialeforskningen? 

”Matematisk set skulle vi, ja, men vi står over for et praktisk problem. Vi har brug for information om den mekaniske spænding ved spidsen af revnen, og observationerne skal være fra den dybde, hvor revnen har sit udspring. Det krav kan man let opfylde inden for materialeforskningen, men i geofysikken taler vi om dybder på mere end 10 kilometer. De største jordskælv udspringer meget dybt, i nogle tilfælde helt ned til 18 kilometer. Det er simpelthen ikke realistisk at få data fra så stor dybde.” 

En overgang var Jim Rice og kollegerne dog optimistiske: ”Da de lettilgængelige reserver af olie svandt ind, begyndte selskaberne at bore støt dybere for at finde nye reserver. Det skabte en rivende udvikling inden for dybeboringer, både hvad angår udstyr og boreteknisk kunnen. Men markedsmekanismen tilsiger jo, at det bedste udstyr og de dygtigste boreteknikere ikke står til rådighed for den offentlige forskning. Desuden må man tage til efterretning, at på trods af de fremskridt, der er sket, har man stadig udgifter, der stiger eksponentielt med den dybde, man ønsker at bore til. Derfor kan jeg simpelthen ikke se nogen mulighed for, at vi kan få relevante data i en mængde og form, der kan være til hjælp i praktisk forudsigelse af jordskælv.” 

’Back to engineering’ 

Gennem årene har der været fremsat en del forslag til, hvordan styrken af jordskælv kunne dæmpes. Jim Rice har interesseret sig for flere af forslagene, men erkender i dag, at han ikke længere har tiltro til nogen af dem. 

”En af de mest lovende idéer går ud på bevidst at udløse en del af den underjordiske mekaniske spænding. Med andre ord kunne man ved at fremprovokere et mindre jordskælv forebygge, at der senere opstod et meget stort jordskælv. Der har været udført forsøg, og faktisk er der noget, som tyder på, at det godt kunne virke. Men jeg er bange for, at dette kun har akademisk interesse, for i praksis kunne man ikke gøre det. I USA ville det helt sikkert være dødsdømt på forhånd! Ingen ville turde udløse selv det allermindste jordskælv med vilje i et land, der er spækket med advokater!” 

Derfor er løsningen at gå ’back to engineering’, som Jim Rice udtrykker det. Det bliver dog ikke ham selv, der kommer til at designe jordskælvssikrede huse og udvikle modeller og kvalitetsstandarder til brug for landskabsplanlægningen. 

”For nylig er jeg blevet interesseret i, hvordan jordskælv og andre mekanismer er i gang med at omforme klodens is-massiver. Delvis på grund af drivhuseffekten og delvis på grund af normal geofysisk aktivitet sker der i disse år en række markante ændringer i den grønlandske indlandsis og Antarktis. Der er masser af mekanisk dynamik involveret, så det er jo et forskningsfelt, som nærmest ligger til højrebenet for mig.”

H.C. Ørsted-forelæsninger

To gange om året inviterer DTU fremtrædende internationale forskere til at forelæse om deres arbejde, forskningsresultater og perspektiverne i deres forskningsområde ved de såkaldte Ørsted Lectures. 

Forelæsningerne er åbne for alle. 

Se eller gense tidligere forelæsninger – og få information om kommende forelæsninger her: 

Relaterede Videoer  

Vis flere