Fale sejsmiczne

Fale sejsmiczne – to jedne z fal mechanicznych, których charakterystyczną cechą jest fakt, że rozchodzą się w Ziemi. Mogą powstawać na skutek wielu czynników, np. aktywności górniczej, eksplozji materiałów wybuchowych czy trzęsień ziemi. Nie mówimy jednak tylko i wyłącznie o czynnikach dotyczących lądu, bowiem mogą je wywołać również sztormy morskie.

Fale sejsmiczne - charakterystyka

Prędkość fal sejsmicznych zależna jest od gęstości ośrodka w którym się rozchodzi, współczynnika jego sprężystości – zależnego od temperatury i ciśnienia oraz typu fali. Dla zobrazowania różnic między nimi posłużę się przykładem prędkości fal podłużnych.
W bazaltach będzie ona wynosiła aż od 5000 do 6000 m/s, podczas gdy w suchym piasku, zaledwie od 4000 do 1200 m/s. Co ciekawe w wodzie prędkość ta utrzyma się na poziomie ok. 1500m/s, podczas gdy w lodzie będzie ona ponad dwukrotnie większa. Ważna jest także głębokość na jakiej omawiane fale występują. W uproszczeniu – im głębiej w strukturze planety tym ich prędkość jest wyższa. Rośnie ona ze względu na wzrost współczynnika sprężystości wraz ze wzrostem ciśnienia. Gdy dochodzą one do granicy z zewnętrznym jądrem Ziemi gwałtownie ona spada, ze względu na stopienie jego stopienie. Ponieważ jądro Ziemi jest płynne nie przenosi ono fal poprzecznych.

Fale sejsmiczne - rodzaje

Wspomniane wcześniej rodzaje fal sejsmicznych to podział ze względu na kierunek drgań. Fale podłużne, to takie fale, w których materia drga w kierunku równoległym do rozchodzenia się fal. Powoduję one rozciąganie i ściskanie skał, przez które przechodzą. Mają możliwość rozchodzenia się również w płynach, a także płynnym jądrze Ziemi. Są one najszybsze ze wszystkich fal sejsmicznych. Fale poprzeczne – ich drgania są prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fal, są one około 1,6 razy wolniejsze od wcześniej wymienionych. Mogą przemieszczać się jedynie w ciałach stałych.

Oprócz tego podstawowego podziału tych fal można wyróżnić kilka szczególnych rodzajów o wyjątkowej charakterystyce. Fale Rayleigha to fale poprzeczne powierzchniowe o polaryzacji pionowej. Ruch cząstek odbywa się po charakterystycznym torze eliptycznym, ustawionym pionowo, prostopadłym do kierunku rozchodzenia się fal. W ośrodku uwarstwionym prędkość fal Rayleigha zależna jest od ich długości. Kolejnym szczególnym typem są fale Love’a, które są falami poprzecznymi o polaryzacji poziomej. Ruch cząstek w tym przypadku to drgania poziome, prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fali. Nie istnieją one dla jednorodnej półprzestrzeni, ośrodek musi być złożony z warstw. Ich prędkość zależna jest od ich długości.

Istnieje jeszcze jeden szczególny przypadek tych fal. Są to swobodne oscylacje Ziemi. Zalicza się do nich zarówno fala Love’a jak i Rayleigha w postaci fali stojącej. Powstają one przy silnych trzęsieniach Ziemi, kiedy fale powierzchniowe obiegną Ziemię i interferują ze sobą, w wyniku czego powstaje fala stojąca. Interferencja fal Love’a powoduje drgania toroidalne, natomiast w przypadku fal Love’a mamy do czynienia z drganiami sferoidalnymi.

Zagrożenia geologiczne a występowanie fal sejsmicznych

Fale sejsmiczne występują często w związku z katastrofami naturalnymi związanymi z naturą środowiska geologicznego. Prognozowanie zjawisk takich jak trzęsienia ziemi, erupcje wulkaniczne czy uaktywnianie się osuwisk, nie da się prognozować. Ich przewidywanie jest trudne, dlatego, że litosfera podlega licznym przemianom zarówno na poziomie lokalnym jak i globalnym. Należy poznać przyczyny powstawania wstrząsów sejsmicznych oraz mechanizm ich przebiegu. Nadchodzące trzęsienie ziemi często poprzedzone jest deformacjami gruntu, zmianami przyspieszenia siły ciężkości czy natężenia pola magnetycznego. Są one spowodowane kumulacją ciśnienia i naprężeń w sprężystym ośrodku geologicznym na obszarze przyszłego hipocentrum. Są one preludium fizycznego zniszczenia ośrodka, następującego w wyniku przekroczenia wartości krytycznych modułu Younga oraz gwałtownego uwolnienia skumulowanej energii w postaci wstrząsu oraz fali sejsmicznej.