Trzęsienie ziemi kojarzy się zwykle z drżącym gruntem, pękającymi budynkami i dramatycznymi obrazami z wiadomości. Dla geologów jest jednak czymś jeszcze – ogromnym, naturalnym eksperymentem, który pozwala badać wnętrze naszej planety.
Za każdym razem, gdy dochodzi do trzęsienia ziemi, w skałach rozchodzą się fale sejsmiczne. To właśnie one niosą informację o tym, co znajduje się tysiące kilometrów pod naszymi stopami. Dzięki nim wiemy dziś, że Ziemia ma skorupę, płaszcz i jądro, a część jej wnętrza jest płynna. Większość tej wiedzy zdobyliśmy bez konieczności wykonywania głębokich odwiertów.
Czym są fale sejsmiczne?
Fale sejsmiczne to drgania rozchodzące się w skałach po nagłym uwolnieniu energii. Najczęściej powstają podczas trzęsień ziemi, ale mogą być wywołane również przez erupcje wulkaniczne, osuwiska, a nawet kontrolowane eksplozje wykorzystywane w badaniach geologicznych.
Można je porównać do fal rozchodzących się po tafli jeziora po wrzuceniu kamienia. Różnica polega na tym, że fale sejsmiczne przemieszczają się nie tylko po powierzchni, ale również przez wnętrze Ziemi.
Geolodzy dzielą je na dwie główne grupy:
- fale przestrzenne (body waves),
- fale powierzchniowe (surface waves).
- Fale przestrzenne – kurierzy informacji z wnętrza Ziemi
Fale przestrzenne – najszybsi posłańcy
Fale przestrzenne rozchodzą się od ogniska trzęsienia ziemi we wszystkich kierunkach przez skały znajdujące się pod powierzchnią.
Występują w dwóch odmianach.
- Fale podłużne, oznaczane literą P (od angielskiego primary), są najszybszym typem fal sejsmicznych. To właśnie one jako pierwsze docierają do sejsmografów rozmieszczonych na całym świecie.
Podczas ich przechodzenia cząstki skały poruszają się równolegle do kierunku rozchodzenia się fali. Można to porównać do ściskania i rozciągania sprężyny.
Najważniejsza cecha fal P jest taka, że potrafią przemieszczać się przez ciała stałe, ciecze i gazy. Dzięki temu mogą przechodzić przez wszystkie warstwy Ziemi.
W zależności od rodzaju skał ich prędkość wynosi zwykle od około 5 do ponad 13 kilometrów na sekundę.
Fale S – te, które zdradziły tajemnicę jądra Ziemi
- Drugim rodzajem fal przestrzennych są fale poprzeczne S (od angielskiego secondary).
W tym przypadku cząstki skały drgają prostopadle do kierunku rozchodzenia się fali. Dobrym porównaniem jest lina poruszana gwałtownie na jednym końcu.
Fale S są wolniejsze od fal P, ale mają jedną niezwykle ważną właściwość: nie potrafią przemieszczać się przez ciecze. Ta pozornie techniczna cecha doprowadziła do jednego z największych odkryć w historii geofizyki. Naukowcy zauważyli, że po przejściu przez pewne obszary wnętrza Ziemi fale S całkowicie zanikają. Wniosek był prosty – muszą trafiać na warstwę płynną. W ten sposób odkryto, że zewnętrzne jądro Ziemi składa się z ciekłego żelaza i niklu.
Prędkość rozchodzenia się fal poprzecznych jest prawie dwa razy mniejsza niż fal podłużnych, dlatego fale poprzeczne nazywane są secondary waves. Dzięki tej różnicy fale wychodzące jednocześnie z jakiegoś punktu przybywają do drugiego w różnym czasie, przy czym im dłuższą odbywają drogę, tym większa jest różnica w czasie ich przybycia.
Fale powierzchniowe – główni sprawcy zniszczeń
Gdy fale sejsmiczne dotrą do powierzchni ziemi, wzbudzają inny rodzaj drgań, zwany falami powierzchniowymi (ang. surface waves). Powstają one w pobliżu powierzchni wskutek oddziaływania fal przestrzennych i rozchodzą się wzdłuż gruntu. Powodują największe szkody podczas trzęsień ziemi. Ich amplituda jest często większa niż amplituda fal P i S, dlatego budynki odczuwają je szczególnie mocno.
Do najważniejszych należą:
Fale Rayleigha – nazwa ich pochodzi od nazwiska Lorda Rayleigha (John William Strutt), który w roku 1885 na podstawie obliczeń matematycznych przewidział istnienie tego typu fal. Fale Rayleigha są typu grawitacyjnego, tzn. drgają tak, jak powierzchnia wody, gdy rzuci się na nią kamień. Ruch cząstek odbywa się po elipsie pionowej, ustawionej w kierunku biegu fali. Większość wstrząsów odczuwanych w trakcie trzęsienia Ziemi jest wywołanych falami Rayleigha.
Fale Love’a – nazwane tak na część brytyjskiego matematyka A.E.H. Love’a, który w 1911 roku opracował matematyczny model tego rodzaju fal. Fale Love’a polegają na drganiach poziomych a prostopadłych do kierunku rozchodzenia się fali. Mimo że przemieszczają się stosunkowo wolno, są bardzo destruktywne. To właśnie one są odpowiedzialne za większość zniszczeń na obszarze dotkniętym trzęsieniem ziemi.
Wstrząs zasadniczy (najsilniejszy) bywa poprzedzony słabymi wstrząsami wstępnymi; a po nim następują zazwyczaj wstrząsy wtórne, przy czym najsilniejszy wstrząs wtórny występuje jako pierwszy po głównym wstrząsie, a siła kolejnych wstrząsów zmniejsza się z upływem czasu.
Jak fale sejsmiczne pozwalają badać wnętrze Ziemi?
Wyobraźmy sobie lekarza wykonującego badanie USG. Nie widzi bezpośrednio wnętrza ciała, ale analizuje sposób, w jaki fale odbijają się od różnych tkanek.
Geofizycy działają podobnie. Analizują czas dotarcia fal sejsmicznych do tysięcy stacji rozmieszczonych na całym świecie. Gdy fala napotyka granicę między różnymi warstwami skał, może zmienić kierunek, odbić się lub zwolnić. Na podstawie tych zmian naukowcy odtwarzają budowę wnętrza planety.
Tak właśnie odkryto między innymi:
- granicę między skorupą a płaszczem Ziemi,
- płynne jądro zewnętrzne,
- stałe jądro wewnętrzne,
- ogromne struktury w głębokim płaszczu wpływające na ruch płyt tektonicznych.
Czy można „zobaczyć” drugą stronę Ziemi dzięki trzęsieniu ziemi?
W pewnym sensie tak. Silne trzęsienie ziemi generuje fale, które potrafią wielokrotnie obiegać całą planetę. Największe zarejestrowane wstrząsy były tak potężne, że Ziemia drgała jeszcze przez wiele dni po samym wydarzeniu.
Po wielkim trzęsieniu ziemi na Alasce w 1964 roku oraz po katastrofalnym trzęsieniu u wybrzeży Chile w 1960 roku zarejestrowano fale, które wielokrotnie okrążyły glob. Nasza planeta zachowuje się wtedy trochę jak gigantyczny dzwon, który jeszcze długo rezonuje po uderzeniu.
Ziemia pełna jest niewidzialnych drgań
Choć większość z nas nigdy nie odczuła silnego trzęsienia ziemi, fale sejsmiczne nieustannie przemierzają wnętrze planety. Każde większe trzęsienie dostarcza naukowcom nowych danych o budowie Ziemi, a nowoczesne sieci sejsmologiczne rejestrują nawet bardzo słabe drgania pochodzące z odległych zakątków świata.
Paradoksalnie więc to właśnie katastrofy naturalne pozwoliły nam poznać wnętrze planety lepiej niż jakakolwiek inna metoda badawcza. Dzięki falom sejsmicznym geolodzy mogą zajrzeć tysiące kilometrów pod powierzchnię Ziemi – znacznie głębiej, niż kiedykolwiek dotarło ludzkie wiertło.
