Πώς διαδίδονται τα σεισμικά κύματα;

Η διάδοση του σεισμικών κυμάτων εντός της Γης δεν είναι ομοιόμορφη. Τα πειράματα δείχνουν ότι η ταχύτητα των δευτερευόντων κυμάτων ή κύματα στρέψης (S-waves) στο μανδύα της Γης, σε βάθος μεταξύ 660 και 2.900 χιλιομέτρων, εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τον προσανατολισμό μιας κλάσης ορυκτών, από οξείδια του σιδήρου και του μαγνησίου.

Τελευταία, μια ομάδα ερευνητών από τη Γερμανία και Αμερική ανέφεραν απρόσμενες ιδιότητες των ορυκτών αυτών, που είναι πιθανώς το δεύτερο πιο άφθονο ορυκτό του κατώτερου μανδύα.

Δεξιά: ένα επίπεδο κύμα στρέψης (S-waves)

“Η εξάρτηση της ταχύτητας των κυμάτων με τον προσανατολισμό των ορυκτών αυξάνεται σημαντικά σε πιέσεις περίπου 50 Giga-Pascal, που αντιστοιχεί περίπου σε βάθος 1.300 χιλιόμετρα. Αυτό προκαλείται από μια αλλαγή στην ηλεκτρονική διάταξη των ιόντων σιδήρου στο πιο πάνω ορυκτό,” εξηγεί ο Hauke Marquardt.

Επιπλέον, η ροή στον κατώτερο μανδύα καταλήγει σε ένα ορισμένο προσανατολισμό του ορυκτού. Το γεγονός αυτό προκαλεί την ανιχνεύσιμη μη ομοιόμορφη διάδοση των σεισμικών κυμάτων. Αυτή η ροή είναι η κινητήρια δύναμη των κινήσεων των τεκτονικών πλακών, του σχηματισμού των βουνών, των σεισμών και των ηφαιστειακών δραστηριοτήτων και, συνεπώς, επηρεάζει σημαντικά τη ζωή μας στην επιφάνεια της Γης.

Επειδή το βαθύ εσωτερικό τμήμα του πλανήτη μας δεν είναι προσιτά σε άμεσες παρατηρήσεις, οι ερευνητές προσομοιώνουν τις συνθήκες του εσωτερικού της Γης με δημιουργία ακραίων πιέσεων στο εργαστήριο. Χρησιμοποιούνται λοιπόν συσκευές εξοπλισμένες με διαμάντια για την εκτέλεση των πειραμάτων υψηλής πίεσης, τα οποία συμπληρώνονται με πειράματα περίθλασης ακτίνων Χ.
Τα νέα αυτά ευρήματα έχουν πρακτική σημασία: Μόνο αν ξέρουμε τις ιδιότητες των υλικών που αποτελούν τη Γη σε μεγάλο βάθος, θα μπορούμε να αντλήσουμε πληροφορίες σχετικά με την εσωτερική ροή τους από τη μη ομοιόμορφη διάδοση των σεισμικών κυμάτων. Κι αυτό μπορεί να βοηθήσει στην καλύτερη κατανόηση των διαδικασιών των τεκτονικών πλακών.

Υπάρχουν δύο σεισμικά κύματα. Τα πρωτεύοντα ή κύματα πίεσης (P-waves) και τα δευτερεύοντα ή στρέψης (S-waves). Όταν ένας σεισμός χτυπά ο πρώτος παλμός της ενέργειας, που έρχεται από το σημείο της εστίας, περιλαμβάνει τα πρωτεύοντα ή κύματα πίεσης. Είναι διαμήκη κύματα και διατρέχουν όλη τη Γη ενώ φτάνουν πρώτα σε ένα σεισμολογικό σταθμό. Κινούνται σε βραχώδη εδάφη με περίπου 6 km/s, ενώ στο νερό με το ένα τρίτο αυτής της ταχύτητας. Όταν φθάσουν στην επιφάνεια της Γης μπορούν να κινηθούν και στον αέρα, σαν ηχητικά κύματα. Ανάλογα με τη συχνότητά τους μπορούν να ακουστούν από τον άνθρωπο ή μόνο από τα ζώα.

Τα επόμενα κύματα που φτάνουν σε ένα τόπο είναι τα δευτερεύοντα (S – secondary). Δεν διαδίδονται μέσω υγρών σωμάτων (π.χ. στη θάλασσα ή στον εξωτερικό πυρήνα της Γης). Είναι πιο αργά (κινούνται με περίπου 2 km/sec), αλλά είναι πιο ισχυρά και καταστρεπτικά από τα διαμήκη και τα ακολουθούν στο σεισμόγραμμα.

Τα κύματα P ταξιδεύουν δύο φορές γρηγορότερα από τα δευτερεύοντα (S) κύματα και αυτά είναι που φέρνουν την ισχυρή καταστρεπτική μετακίνηση του εδάφους, χαρακτηριστική των μεγάλων σεισμών. Τα κύματα S χρησιμοποιούνται παραδοσιακά για να αξιολογήσουν το μέγεθος ενός σεισμικού γεγονότος, αλλά αυτές οι πληροφορίες σταχυολογούνται μόνο μετά από το σεισμό.

Τέλος, όταν η ενέργεια ενός σεισμού φθάσει στην επιφάνεια της Γης, δημιουργούνται δύο άλλοι τύποι επιφανειακών σεισμικών κυμάτων που έπονται των άλλων δύο. Το όνομά τους προέρχεται από αυτόν που τα ανακάλυψε και δημιουργούνται όταν η εστία είναι σε μικρό βάθος.

Τα πρώτα είναι τα κύματα Love (τα ανακάλυψε ο H. Love θεωρητικά το 1911), που κατά τη διάδοσή τους τα υλικά σημεία του μέσου ταλαντώνονται οριζοντίως, καθέτως προς τη διεύθυνση διάδοσης του κύματος. Δημιουργούν δηλαδή μετακινήσεις πλευρικές της επιφανείας του εδάφους. Είναι μάλιστα γραμμικώς πολωμένα.

Και τα δεύτερα είναι τα κύματα Rayleigh (τα ανακάλυψε το 1887 ο Strutt Rayleigh), που κατά τη διάδοση τους τα υλικά σημεία του μέσου κινούνται σε ελλειπτικές τροχιές των οποίων οι μεγάλοι άξονες είναι κατακόρυφοι και οι μικροί παράλληλοι με τη διεύθυνση διάδοσης του κύματος.  Διαδίδονται στα επιφανειακά στρώματα της Γης και για το λόγο αυτό δεν εμφανίζονται σχεδόν καθόλου σε σεισμούς με βαθύτερες εστίες. 

Τα δύο τελευταία κύματα κινούνται πιο αργά από τα πρώτα (P και S) αλλά είναι πιο καταστρεπτικά, ιδιαίτερα τα κύματα Love. Ειδικά τα τελευταία είναι συχνά υπεύθυνα για την κατάρρευση των κτιρίων.

Τρόπος διάδοσης των επιμήκων κυμάτων

Τρόπος διάδοσης των εγκαρσίων κυμάτων

Ταχύτητες διάδοσης των σεισμικών κυμάτων

Στο εσωτερικό της Γης τα ελαστικά κύματα (δηλαδή τα σεισμικά κύματα) διαδίδονται με ταχύτητες από 2000 μέχρι 13500 μέτρα ανά δευτερόλεπτο. Αυτές οι ταχύτητες δεν μπορούν να συγκριθούν με ταχύτητες από την καθημερινότητα, αλλά μπορούν να συγκριθούν με ταχύτητες που έχουν σχέση με τη βαλιστική και την αεροδιαστημική. Πηγαίνοντας από μικρότερες (και οικειότερες) προς μεγαλύτερες ταχύτητες συναντούμε διαδοχικά:

• 331.5 μέτρα ανά δευτερόλεπτο. Αυτή είναι κατά μέσο όρο η ταχύτητα του ήχου στην επιφάνεια της θάλασσας. Επειδή ο ήχος και τα επιμήκη σεισμικά κύματα είναι ακριβώς το ίδιο φαινόμενο, μπορούμε να πούμε πως τα επιμήκη σεισμικά κύματα διαδίδονται στο εσωτερικό της Γης με την ταχύτητα του ήχου. Αυτή η ταχύτητα όμως είναι μερικές δεκάδες φορές μεγαλύτερη από την ταχύτητα διάδοσης του ήχου στον αέρα.
• 603 μέτρα ανά δευτερόλεπτο. Αυτή ήταν μέγιστη ταχύτητα του υπερηχητικού αεροσκάφους τύπου Concorde πριν αποσυρθεί. Επειδή στο ύψος πτήσης του Concorde η ταχύτητα του ήχου είναι μικρότερη από την ταχύτητα του ήχου κοντά στην επιφάνεια της Γης, το Concorde πετούσε με ταχύτητα μεγαλύτερη από τη διπλάσια της ταχύτητας του ήχου.
• 1000 μέτρα ανά δευτερόλεπτο. Αυτή είναι περίπου η ταχύτητα με την οποία κινείται ένα βλήμα πυροβόλου. Ακόμα και αυτή η ταχύτητα είναι μικρότερη από την ταχύτητα διάδοσης των σεισμικών κυμάτων.
• 7743 μέτρα ανά δευτερόλεπτο. Αυτή είναι η μέγιστη ταχύτητα που μπορεί να αναπτύξει το διαστημικό λεωφορείο. Αυτή είναι ταχύτητα της ίδιας τάξης μεγέθους με την ταχύτητα διάδοσης των σεισμικών κυμάτων. Πρέπει να πούμε (για πρώτη φορά στη σελίδα είναι απαραίτητο να αναφερθεί αυτό) ότι όλες οι ταχύτητες υπολογίζονται λαμβάνοντας ώς σύστημα αναφοράς τη Γη.
• 11200 μέτρα ανά δευτερόλεπτο. Αυτή είναι η ταχύτητα διαφυγής από τη βαρύτητα της Γης.
• 16210 μέτρα ανά δευτερόλεπτο. Αυτή είναι η ταχύτητα του ταχύτερου διαστημοπλοίου (και αντικειμένου γενικότερα) που έχει φύγει ποτέ άπό τη Γη. Πρόκειται για το New Horizons, του οποίου η αποστολή είναι να εξερευνήσει τα εξωτερικά τμήματα του Ηλιακού Συστήματος. Το New Horizons είναι λίγο ταχύτερο από τη μεγαλύτερη ταχύτητα με την οποία μπορούν να διαδοθούν τα σεισμικά κύματα.