科学如何战胜自然灾害

来自《大众科学》的档案,包括飓风屋、地震仪相机、森林灭火飞艇等。

2005年8月29日,卡特里娜飓风登陆路易斯安那州东南部。这场3级风暴淹没了新奥尔良市80%的地区,并导致美国至少1836人死亡。八年后,被毁社区的居民仍在努力重建。尽管令人悲伤,但大多数易受灾地区不得不从悲剧中吸取教训,以改进其防御自然灾害的能力。我们从《大众科学》的档案中收集了早期技术的例子。我们从1919年秋天开始,第一次世界大战刚刚结束,飞艇在国家森林上空搜寻火情。战后,大量飞机和齐柏林飞艇被委托用于协助骑马的消防员扑灭吞噬我们树木的火焰。与此同时,在世界的另一边,日本即将遭受一场估计造成14万人死亡的地震。1923年关东大地震和海啸摧毁东京和横滨后,科学家们合作开发了能够减少未来灾难中死亡人数的方法。日本科学家在建筑物的比例模型上模拟地震,以了解哪种工程能够承受;而一位美国教授则建议在房屋内安装滚珠轴承以增强稳定性。与此同时,普通民众尽了一切努力保护自己免受灾难。一位建筑师建造了一座泪滴形的“飓风屋”,在风暴中会随风转动;而企业则销售全钢的龙卷风避难所,可以整件交付,无需组装。只需在你的前院挖一个洞,将避难所埋入地下,当风开始刮起时就跳进去。

Fighting Forest Fires: October 1919
扑灭森林大火:1919年10月《大众科学》档案

1919年,国家公园的游客对飞机和飞艇为何在头顶上空飞过感到好奇,尤其是在战争已经结束的情况下。大多数人不知道的是,森林护林员正在接受航空培训,以便他们能够帮助定位森林火灾。灭火是一项团队合作:瞭望员,即驻扎在战略瞭望点的人员,会通过电话通知总部,以便他们可以派遣一群人来扑灭火焰。由于瞭望员的视野有限,林业局委托充入新型不可燃氦气的飞艇巡逻森林中视线受阻的区域。此外,空中侦察机可以用灭火弹来控制火势,直到地面常规部队到达。如果这还不够新颖,那么飞机还将初步配备无线电设备,以改善飞行员与地面之间的通信。

Seismograph Camera: October 1919
地震仪相机:1919年10月《大众科学》档案

如今的地震仪采用电子传感器、放大器和记录设备(最常见的是计算机),而在20世纪初,人们依赖一种设备,该设备使用一个笔尖在覆盖着烟熏纸的滚筒上描绘图案。夏威夷基拉韦厄火山观测站的A.T. Jaggar博士和Arnold Romberg博士建议通过使用一种能够以摄影方式记录地震运动的机器来更新该系统。“灯被设置在距离、并且与奥莫里100公斤水平摆臂末端在同一直线上,但略高于摆臂末端,摆臂尖端装有一个磁化的水平针。然后,一个直径为十二毫米的普通光镜被牢固地固定在一个直立的、绷紧的丝线上,该丝线固定在一个立在混凝土台上的柱子上;而第二个磁铁则附在镜子的背面,使其与臂的磁铁呈90度角,磁铁的北极与臂磁铁的南极相邻。”

新地震仪的记录显示的是连续的线条,带有小的断点来指示异常的运动,而不是显示锯齿状的线条。

The Great Kanto Earthquake: December 1923
关东大地震:1923年12月《大众科学》档案

里氏7.9级的关东大地震摧毁了东京和横滨地区,造成14万人死亡。随后发生的海啸摧毁了155座房屋,造成60人死亡。尽管科学家们知道他们无法阻止地震,但他们知道他们可以对死亡人数做些什么。日本的B. Mano教授和A. Inokuty教授建造了一个大型的平台,可以摇晃建筑物的模型,以查看它们是否能够承受。与此同时,斯坦福大学地质学名誉教授Bailey Willis博士表示,地震之后的死亡和破坏是我们,而不是地震本身造成的。糟糕的建筑设计、火灾以及我们无法预测地震的能力都导致了不必要的死亡。房屋和地基内部的巨大滚珠轴承将解决这个问题。他还推测,在转变为地震之前,地表下的构造板块会发生数月的震动。如果我们能找到一种监测地球内部的方法,我们就能预测地震何时发生。尽管那并没有发生,但他关于滚珠轴承的设想在他关于在台北101安装调谐质量阻尼器的想法中得以实现。

Tiltmeter: September 1932
倾斜仪:1932年9月《大众科学》档案

华盛顿特区标准局的George E. Merritt推测,我们可以通过深入地球地壳来预测地震。几年前,日本科学家声称,在地震发生前几个月,地壳会发生倾斜。利用这项研究, Merritt制造了他的倾斜仪,据称该仪器可以在十分之一秒内记录到地壳的任何变化。使用时,你会在一口深井中安装平行的反射面(一块放在石英板上的油)。氦灯的光会反射液体并传输一束光,当地球倾斜时,这束光会发生变化。然后,你将测量失调的角度,以确定其是否足够剧烈以引起地震。

The War Against Earthquakes: May 1933
与地震的战争:1933年5月《大众科学》档案

在1938年加州隆波克发生的7.3级地震将城镇夷为平地后,加州理工学院、麻省理工学院和斯坦福大学的科学家们致力于改进建筑设计。安装在钢簧支撑平台上的微型摩天大楼模型充当了地震模拟器,揭示了施工中的弱点。在斯坦福大学和加州理工学院,微型仪器会在模型受到“机械地震”时测量其损坏情况。数据的收集使科学家们能够通过设计数学公式来帮助建筑师建造更具弹性的结构。著名建筑师弗兰克·劳埃德·赖特也提出了建议,推荐具有低重心、浅地基和轻质屋顶的结构。

Cyclone Cellar: September 1933
龙卷风避难所:1933年9月《大众科学》档案

早在防空洞成为家庭标准之前,全钢管状避难所几乎成为生活在龙卷风带上的人们的常态(我们应该提到,尽管标题是“龙卷风”,但文章实际上指的是龙卷风,而不是飓风)。这种末日般的结构会整件运输,无需组装。这些避难所可以容纳12名成年人,配有两个通风口、一套装备和一个通往地面的钢制楼梯。

Earthquake Machine: May 1935
地震机:1935年5月《大众科学》档案

随着时间的推移,地震测试变得更加复杂。美国海岸和大地测量局的研究人员将便携式“地震机”运往各种建筑物,以测量建筑物的“俯仰”,即其倒塌的频率。这些数据不仅帮助他们定位建筑物的薄弱区域,还让他们了解建筑物在地震期间的行为。为什么有些建筑物倒塌了,而另一些却屹立不倒?一般来说,所有构件越是“牢固地连接在一起”,建筑物就越有可能保持屹立。一位工程师建议,较高的建筑物应采用对角支撑,在地震期间可以倒塌,使建筑物与震动不同步。其他人则建议用弹性材料建造低层,以吸收地震释放的能量。无论如何,新型轻质材料的可用性,例如由浮石(而非砾石)制成的混凝土,意味着工程师们能够更好地建造防震建筑。

Hurricane House: October 1939
飓风屋:1939年10月《大众科学》档案

一个结合了风向标功能的房子?为什么不呢?纽约市建筑师Edwin A. Koch将他的泪滴形房屋建在圆形轨道上。在恶劣天气下,房屋会旋转并随着风的方向调整(在好天气里,你可以将其朝向太阳)。整个房屋都安装在轮子上,这些轮子运行在三条独立的轨道上。一条轨道位于结构的尖端,另一条轨道位于外墙下方,第三条轨道位于建筑内部下方。水电管道位于房屋轴线下方,而电力则通过内部轨道供应。要旋转房屋,只需按下中央控制板上的按钮,然后放松,知道你的家不会被风暴摧毁。

Steering Hurricanes: July 1956
操控飓风:1956年7月《大众科学》档案

没有什么比被大自然残酷对待更能让人感到无助的了,这就是为什么美国气象局提出通过控制飓风的发展来帮助消除这种情况。气象专家将通过向飓风云层播撒干冰来引导飓风远离。此举将释放风暴的能量,并将其路径——理想情况下——重定向到开阔的海面上。那个夏天,《国家飓风研究项目》计划对驶向加勒比海的风暴进行测试。不出所料,这个过程需要大量的设备。火箭将携带摄像机拍摄飓风,而B-50和B-47飞机将投放颗粒并监测海洋活动。一个飓风信标(又名带有无线电设备的气球)将进入风暴之眼,以便地面观察员能够跟踪它。

Hurricane Dam: April 1962
飓风大坝:1962年4月《大众科学》档案

继1938年新英格兰大飓风和1954年卡罗尔飓风淹没罗德岛州普罗维登斯之后,当局决定采取行动应对未来的灾难。福克斯角飓风屏障应运而生,它横跨普罗维登斯河,保护市中心区域免受大规模洪水的侵袭。大坝配有闸门,可以阻止风暴洪水,而泵站则将水排回海湾。一旦解除紧急警报,闸门就会打开,水泵停止,生活就可以恢复正常。

 

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