Seizmická vlna

z Wikipédie, slobodnej encyklopédie
Prejsť na: navigácia, hľadanie
Jednotlivé typy seizmických vĺn.
Seizmogram so zaznamenanými P a S-vlanmi.

Seizmická vlna je typ vlnenia, ktoré je vyžarované pri deformácii hornín. Táto deformácia môže byť spôsobená zemetrasením, výbuchom, zrútením skalného masívu a pod. Seizmické vlny zaznamenávajú seizmometre a analýza týchto záznamov slúži na charakterizovanie danej deformácie (hlavne pri zemetraseniach), ako aj na zisťovanie stavby vnútra Zeme.

Fyzikálna charakteristika seizmických vĺn[upraviť | upraviť zdroj]

Seizmické vlny sú elastické vlny a ich šírenie v izotropnom homogénnom elastickom prostredí popisuje pohybová rovnica kontinua (elastodynamická rovnica):

\rho \mu_{i,tt}=\tau_{ij,j} + f_i\,\!

pre tenzor napätia platí Hookov zákon:

\tau_{ij} = \lambda u_{k,k}\delta_{ij} + \mu(u_{i,j} + u_{j,i})\,\!

kde:

  • \rho(\vec x)\,\! je hustota
  • \lambda(\vec x)\,\! a \mu(\vec x)\,\! sú Laméove elastické koeficienty
  • \tau_{ij}(\vec x,t)\,\! kde i, j \in (1,2,3)\,\! tenzor napätia
  • \vec f(\vec x,t)\,\! vonkajšia sila, pôsobiaca na jednotku objemu

V obidvoch rovniciach platí u_{i,tt} = \partial ^2u_i / \partial t^2, \tau_{ij,j} \partial \tau_{ij} / \partial x_j\,\!.

Pre homogénne nekonečné prostredie sa pohybová rovnica dá rozdeliť na dve nezávislé vlnové rovnice. V reči fyziky to znamená, že v takomto prostredí sa môžu šíriť dva druhy vĺn:

  • pozdĺžna vlna s rýchlosťou \alpha = \sqrt{(\lambda + 2\mu) / \rho}\,\!
  • priečna vlna s rýchlosťou \beta = \sqrt{\mu / \rho}\,\!

Vzťah medzi rýchlosťami vĺn je nasledovný \alpha \ge \sqrt{2} \beta\,\!.

Pri šírení pozdĺžnej vlny kmitajú častice prostredia v smere jej šírenia, pri šírení priečnej kolmo na smer jej šírenia. Pri dopade vĺn na rozhranie dvoch prostredí sa lomia a odrážajú, pre uhol dopadu a lomu platí Snellov zákon. V kvapalinách je \mu = 0\,\!, preto sa v nich nešíria priečne vlny.

Zem ako teleso však nie je homogénna, je ohraničená a viaceré časti jej vnútra sú anizotrópne, pričom pri šírení seizmických vĺn dochádza vplyvom celého radu procesov k útlmu amplitúd vĺn. Popis vlnového poľa Zeme je preto veľmi komplikovaný.

Rozdelenie[upraviť | upraviť zdroj]

Základné rozdelenie seizmických vĺn je podľa toho, či sa môžu šíriť vnútrom Zeme alebo nie, na objemové a povrchové.

Objemové vlny[upraviť | upraviť zdroj]

Oneskorenie S-vĺn oproti P-vlnám.

Objemové, alebo priestorové vlny sú tie, ktoré sa šíria zemským telesom. Rozdeľujú sa na pozdĺžne a priečne (v seizmológii sa označujú ako P a S vlny). P je z lat. primae – primárne a S sú sekundárne vlny (secundae). Toto označenie bolo zavedené podľa toho, v akom poradí sú zapisované na seizmogram. Pozdĺžne vlny (pretože sú rýchlejšie) sú zaznamenávané ako prvé, seundárne ako druhé. Amplitúda vlny je úmerná 1/r (kde r je vzdialenosť miesta merania od epicentra). Z hľadiska deštruktívneho účinku sú na tom lepšie priečne vlny, pretože pri pohybe častíc šíriacej sa vlny dochádza k strižným zmenám v prostredí, avšak u pozdĺžnych k objemovým. V telese Zeme sa nachádzajú rôzne výrazné rozhrania, kde dochádza k lámaniu a odrazu objemových vĺn. Priamo sa šíriace vlny v plášti sa označujú známym P a S, vlny odrazené od rozhrania plášť – jadro sú tzv. c-vlny. K-P sú vlny šíriace sa vo vonkajšom jadre, I-P a J-S vlny sa šíria vo vnútronom jadre.

Povrchové vlny[upraviť | upraviť zdroj]

Povrchové typy seizmických vĺn sa šíria len po povrchu, no v obmedzenej miere aj pod povrchom Zeme. Najdôležitejšie z povrchových vĺn sú Rayleigohve a Loveove vlny. Ich rýchlosti (na rozdiel od objemových vĺn) výrazne závisia od frekvencie a ich amplitúdy sú úmerné 1/\sqrt r. Ich ničivosť je, vzhľadom na kmitanie častíc obrovská (pozri vrchný obrázok).

Analýza seizmických vĺn a jej význam[upraviť | upraviť zdroj]

Bližšie informácie v hlavnom článku: Stavba Zeme
Tieňová zóna P-vĺn.

Jedným z dôležítých záverov, vyplývajúcich z definície P a S vĺn je rozdiel v rýchlosti ich šírenia. Pozdĺžne P-vlny sú rýchlejšie, čo umožňuje zo záznamu seizmografu vypočítať vzdialenosť seizmickej stanice od ohniska zemetrasenia. Hodnota tejto vzdialenosti sa získa vynásobením rozdielu medzi príchodom P a S-vĺn (v sekundách) hodnotou 8 km/s. V praxi však treba brať do úvahy aj vplyv morfológie terénu a vlastností prostredia v ktorom sa vlny šíria. Na určenie polohy na mape sa používa (opäť zjednodušene) priesečník kružníc, kde stredom kružnice je seizmická stanica a polomerom je vzdialenosť od ohniska. Na presné určenie polohy treba zostrojiť kružnice minimálne z troch staníc.

Ďalším dôležitým údajom, ktoré poskytujú záznamy objemových seizmických vĺn sú informácie o zemskom vnútri. Ako bolo napísané vyššie, na rozhraniach v štruktúre Zeme dochádza k odrazom a lámaniam seizmických vĺn, tieto sa riadia Snellovým zákonom. Taktiež ich rýchlosť závisí od hustoty prostredia. Analýzou údajov odrazových vĺn geofyzici odhalili vnútornú štruktúru Zeme a vytvorili aj jej seizmický model (čo je vlastne rozloženie rýchlostí širenia sa seizmických vĺn a hustoty).

Tieňová zóna[upraviť | upraviť zdroj]

Tieňová zóna je oblasť na povrchu Zeme, kde nie sú detekovateľné žiadne seizmické vlny, šíriace sa z určitého zdroja. Pre primárne vlny je to uhol medzi 104 až 140 °. Je to zapríčinené dopadom vlny pod určitým uhlom na rozhranie medzi spodným plášťom a vonkajším jadrom, nazývané aj Gutenbergova diskontinuita. Časť P-vĺn sa odráža naspäť do plášťa a časť sa láme a prechádza do vonkajšieho jadra. V priemete na rez telesom Zeme sa objavuje hluché miesto (pozri obrázok). S-vlny absolútne neprechádzajú gutenbergovou diskontinuitou, ale sa odrážajú naspäť, preto je uhol väčší – 105 až 180 °. Je to zapríčiené tekutosťou vonkajšieho jadra, a v kvapalnom prostredí sa S-vlny nešíria. Túto skutočnosť prvýkrát naznačil írsky geológ Richard Oldham.

Literatúra a referencie[upraviť | upraviť zdroj]

  • Moczo, P., Labák, P.: Zemetrasenia a seizmické ohrozenie. Geofyzikálny ústav SAV, 2000
  • Tento článok je čiastočný alebo úplný preklad článku Shadow zone na anglickej Wikipédii.