科学如何对抗自然灾害

2005 年 8 月 29 日，飓风卡特里娜登陆路易斯安那州东南部。这场三级飓风淹没了新奥尔良市 80% 的地区，并在美国造成至少 1,836 人死亡。八年过去了，被毁社区的居民仍在努力重建。尽管不得不承认这很令人悲哀，但大多数灾害多发地区都不得不从悲剧中吸取教训，以增强抵御自然毁灭的能力。我们从《大众科学》档案中收集了此类技术的早期示例。故事始于 1919 年秋天，第一次世界大战刚结束后，飞艇滑过国家森林寻找火灾。战后，数十架飞机和齐柏林飞艇被派去与骑马消防员一起扑灭正在吞噬树木的大火。与此同时，在世界的另一端，日本即将遭受地震，估计将造成 14 万人死亡。 1923 年关东大地震和海啸摧毁了东京和横滨后，科学家们联手设计出减少未来灾难中死亡人数的方法。日本科学家在建筑物的模型上模拟地震，以了解哪种工程能经受住考验，而一位美国教授则建议在房屋内安装滚珠轴承以增加稳定性。与此同时，普通民众尽一切可能保护自己免受灾难。一位建筑师建造了一个泪滴形的“飓风屋”，在暴风雨中它会随风转动，而商家则出售全钢制的飓风地下室，它可以整块交付，无需组装。只需在前院挖一个洞，将地下室埋在下面，当风开始刮起时，就可以跳进去。

1919 年，国家公园的游客们很好奇，为什么飞机和飞艇会飞过上空，尤其是战争已经结束之后。大多数人都不知道，护林员正在接受航空训练，以便他们能够帮助找到森林火灾的位置。灭火是一项团队工作；观察员或驻扎在战略瞭望台的人会通过电话通知总部，以便总部派出一组人员来扑灭火焰。由于观察员的视野有限，林业局委托使用充气了新型不易燃氦气的飞艇来巡逻被遮挡的森林部分。此外，空中侦察兵可以用灭火弹控制火势，直到常规地勤人员到达。如果这听起来还不够新奇的话，飞机暂时计划接收无线电装置，以改善飞行员与地面之间的通信。

虽然今天的地震仪采用了电子传感器、放大器和记录设备（最常见的是计算机），但在 20 世纪初期，人们依靠的是一种使用触针在覆盖着烟熏纸的鼓上描绘图案的设备。夏威夷基拉韦厄天文台的 AT Jaggar 博士和 Arnold Romberg 博士建议通过使用一种以摄影方式记录地震运动的机器来更新该系统。“灯被安装在距离 Omori 100 公斤水平摆臂末端 150 厘米处，与摆臂成一线，但略高于摆臂，摆臂的尖端装有磁化水平针。然后将一个直径为 12 毫米的普通光镜牢固地固定在垂直绷紧的丝纤维上，丝纤维固定在混凝土桌上的柱子上：同时将第二块磁铁以直角放置的方式连接到镜子的背面，其北极与摆臂磁铁的南极相邻。”

新型地震仪的记录不再显示锯齿状的线条，而是显示出连续的线条，其中有小的间断，表明存在异常运动。

关东大地震规模达 7.9 级，摧毁了东京-横滨地区，造成 14 万人死亡。随后的海啸摧毁了 155 栋房屋，造成 60 人伤亡。尽管科学家知道他们无法阻止地震，但他们知道他们可以做一些事情来减少死亡人数。日本的 B. Mano 教授和 A. Inokuty 教授建造了一个大型平台桌，可以摇晃建筑物模型，看看它们是否能经得住考验。与此同时，斯坦福大学名誉地质学教授 Bailey Willis 博士表示，地震造成的死亡和破坏应归咎于我们，而不是地震本身。不良的建筑设计、火灾以及我们无法预测地震都会导致不必要的死亡。房屋和地基内的巨大滚珠轴承可以解决这个问题。他还假设板块震动在地表以下发展数月后才会变成地震。如果我们能找到一种方法来监测地球内部，我们就应该能够预测地震何时发生。虽然这并没有发生，但当工程师在台北 101 大楼安装调谐质量阻尼器时，他的滚珠轴承想法确实实现了。

华盛顿特区标准局的乔治·E·梅里特推测，我们可以通过深入地壳内部来预测地震。几年前，日本科学家声称，在地震发生前几个月，地壳内部发生了倾斜。梅里特利用这项研究发明了倾斜仪，据说它可以在十分之一秒内记录下地壳的任何变化。要使用它，你需要在井深处安装平行的反射面（石英板上的油盘）。氦灯发出的光会反射液体并透射出一束光，当地球倾斜时，光束会发生变化。然后，你可以测量错位的角度，以确定它是否足以引发地震。

加利福尼亚州隆波克发生 7.3 级地震后，城镇化为废墟，加州理工学院、麻省理工学院和斯坦福大学的科学家努力改进建筑设计。摩天大楼的微型模型安装在由钢弹簧支撑的平台上，充当地震模拟器，揭示建筑的薄弱环节。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”时测量其损坏程度。通过收集数据，科学家可以协助建筑师设计数学公式，建造更具弹性的建筑。著名建筑师弗兰克·劳埃德·赖特也参与其中，建议建筑重心低、地基浅、屋顶轻。

早在防空洞成为家庭标准之前，全钢管状地下室几乎成为龙卷风带居民的常态（我们应该指出，虽然标题说的是“气旋”，但文章实际上指的是龙卷风，而不是飓风）。这种看起来末日般的结构将整块运输，无需组装。这些地下室可容纳 12 名成人，配有两个通风机、套装和通往地面的钢楼梯。

十年过去了，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“地震仪”拖到各个建筑物，以便测量建筑物的“倾斜度”——即建筑物倒塌的频率。这些数据不仅帮助他们找到建筑物的薄弱区域，还让他们了解建筑物在地震中的表现。为什么有些建筑物倒塌而其他建筑物却保持直立？通常，所有元素“连接”得越好，建筑物就越有可能保持直立。一位工程师建议，在建造较高的建筑物时，应使用对角支撑，这种支撑可能会在地震中倒塌，使建筑物与震动不同步。其他人建议用弹性材料建造较低的花架，这种材料可以吸收地震释放的能量。无论如何，新轻质材料的出现，如浮石（而不是砾石）制成的混凝土，意味着工程师们能够更好地建造抗震建筑。

结合风向标的房子？为什么不呢？纽约市建筑师埃德温·A·科赫在圆形轨道上建造了他的泪滴形房屋。在恶劣天气下，房屋会旋转并与风向保持一致（在好天气下，你可以将房屋朝向太阳）。整个房屋安装在轮子上，轮子在三条独立的轨道上运行。一条位于结构的尖端，另一条位于外墙下方，第三条位于建筑物内部下方。水管和污水管位于房屋轴线下方，而电力则通过内轨道进入。要旋转房屋，只需按下中央控制板上的按钮，然后放心，你的家不会被风暴摧毁。

没有什么比任由大自然的残酷摆布更让人感到无助，这就是为什么美国气象局建议通过控制飓风的发展来帮助消除这种情况。气象专家会通过在云层中撒干冰块来引导飓风。这种反应会释放风暴的能量，并将其路径改变为——理想情况下——公海。那年夏天，国家飓风研究项目计划在前往加勒比海的风暴上测试这种方法。毫不奇怪，这个过程需要大量的设备。火箭会携带摄像机拍摄飓风，而 B-50 和 B-47 会投下弹丸并监测海洋活动。飓风信标（即配备无线电的气球）会进入风暴眼，以便地面观察员可以跟踪它。

1938 年的新英格兰大飓风和 1954 年的卡罗尔飓风淹没了罗德岛州的普罗维登斯，当局决定采取行动应对未来的灾难。福克斯角飓风屏障横跨普罗维登斯河，保护市中心地区免受大规模洪水侵袭。这堵墙配有闸门，可阻挡暴风雨带来的洪水，而泵站则将水排回海湾。一旦紧急警报解除，闸门就会打开，泵会停止运行，生活就可以照常进行。