la fizica - unde seismice

 

Unde seismice

Din cand in cand, scoarta terestra se pune brusc in miscare si isi modifica suprafata; acest fenomen este cutremurul, unul dintre cele mai inspaimantatoare fenomene naturale. Seismele sau cutremurele de pamant sunt cele mai distrugatoare fenomene naturale de pe pamant. Pot provoca distrugeri de zeci de mii de ori mai mari decat bomba atomica aruncata in 1945 peste Hiroshima. Multe cutremure produc o miscare a solului asemanatoare cu leganatul unui vapor. In functie de intensitatea cutremurului, solul este miscat in valuri fine sau este smucit cu putere. Uneori, unduirile solului sunt vizibile si la suprafata: martori oculari sustin ca in timpul cutremurului din San Francisco, din 1906, solul facea valuri inalte de un metru. Pana la oprirea cutremurului, locul de declansare a acestuia - linia de refractie Sf. Andrei - s-a deplasat cu 6 metri. Majoritatea cutremurelor dureaza doar cateva secunde, dar sunt unele care tin pana la un minut sau mai mult. Cutremurul din San Francisco, din 1906, de exemplu, a durat doar 40 de secunde, iar cel din Alaska, din 24 ianuarie 1964, a durat peste 7 minute.

Cutremurul principal este urmat de altele cu intensitate din ce in ce mai mica. Acestea sunt provocate de faptul ca rocile dislocate incep sa se reaseze intr-o pozitie stabila, ceea ce poate provoca din nou distrugeri enorme. In 1985, in centrul orasului Mexico, un cutremur de gradul 11 pe scara Mercalli a provocat pagube imense. Replica din ziua urmatoare, de intensitatea 10 pe aceeasi scara, a distrus si ceea ce a mai ramas. Cele doua cutremure au provocat impreuna moartea a aproximativ 10.000 de oameni si ruinarea cladirilor din oras. Explicatia producerii acestora este, conform teoriei placilor tectonice, este aceea ca scoarta terestra este formata dintr-un numar de placi si subplaci tectonice rigide. Acestea se sprijina pe astenosfera terestra, aflata in stare partial topita la presiuni si temperaturi ridicate. In astenosfera exista curenti de convectie termica. Acesti curenti determina miscari continue ale placilor litosferice una fata de alta. Deplasarea relativa a placilor, separate prin dislocatii profunde, este franata indeosebi de fortele de frecare care se nasc pe suprafetele de contact dintre placi, generand tensiuni care se acumuleaza in timp.
Astfel, la suprafetele de separare dintre placi se inmagazineaza o mare cantitate de energie de deformare. La un moment dat, echilibrul placilor cedeaza si se produc alunecari pe planul faliilor, sau chiar ruperi in interiorul scoartei terestre. Socurile datorate acestor fenomene se propaga sub forma de unde, cu viteze foarte mari si insotite de eliberarea unor cantitati mari de energie, avand ca efect vibratii ale scoartei. Punctul (sau mai corect regiunea) in care se produce cutremurul poarta numele de focar sau hipocentru. Proiectia focarului pe suprafata Pamantului este epicentrul cutremurului. Focarele seismelor sunt situate:

• in crusta terestra, pana la o adancime de 20 km in regiunile continentale si la cativa kilometri sub fundul marii (la nivelul faliilor transformate sau al dorsalelor oceanice); ele se afla, deci, oarecum la suprafata.

in interiorul placilor in curs de subductie, unde seismele se produc chiar si la o adancime de 700 km.

Cand are loc o fisura sau deplasare brusca in scoarta pamantului, energia radiaza in exterior sub forma unor unde seismice, la fel cum energia formata prin miscarea unei suprafete de apa radiaza sub forma unui val. Un cutremur este format dintr-o varietate de unde seismice care nu se pot distinge si sursa energiei seismice este imprastiata pe o suprafata mare. In fiecare cutremur, exista mai multe tipuri de unde seismice.
Trei tipuri de baza ale undelor elastice produc cutremurele distrugatoare. Acestea sunt unde similare cu cele din apa sau din aer. Din cele trei, doar doua propaga odata cu ele si corpuri solide de roca.
Cea mai rapida dintre aceste unde este numita unda primara (longitudinala, provoaca vuietul surd al seismelor) sau pur si simplu unda P. Mai este numita unda de comprimare. Miscarea ei este aceeasi cu unda sunetului; in timp ce se imprastie, dilata si comprima simultan roca. Aceste unde P, la fel ca undele sunetului sunt capabile sa treaca atat prin roci solide, cum ar fi muntii de granit, cat si prin material lichid, cum ar fi magma vulcanica sau apa oceanelor. Deplasarea acestei unde este asemanatoare cu cea a unei 'rame' ( contractie - extensie ). Determina miscarea particulelor solului paralel cu directia de propagare. Are o viteza medie de propagare de 7.8 Km/s ( pentru structura geologica Vrancea la o adancime intermediara ). Amplitudinea acestei unde este direct proportionala cu magnitudinea ( energia cutremurului ).
Este perceputa la suprafata de catre oameni ca pe o 'saltare', un mic soc in plan vertical.
Nu este periculoasa pentru structuri (cladiri) deoarece contine (transporta) aproximativ 20% din energia totala a cutremurului de pamant.

Cea de-a doua unda este unda secundara (transversala) sau unda S. Mai este numita unda de taiere si are o viteza cuprinsa intre 1,6-8 km/secunda . Cand o unda S se propaga, taie roca formand unghiuri de 90⁰ cu directia in care merge. Totusi, la suprafata pamantului, undele S pot produce atat miscari verticale, cat si orizontale. Undele S nu se pot propaga in substante lichide, cum ar fi oceanele, si amplitudinea este redusa considerabil cand strabate sol noroios. Este o unda transversala de forfecare.
Determina miscarea particulelor solului perpendicular ( transversal ) fata de directia de propagare. Deplasarea acestei unde este similara cu inaintarea unui sarpe ( miscari ondulatorii stanga-dreapta fata de directia propagarii ) si este resimtita la suprafata solului sub forma unei miscari de forfecare, de balans in plan orizontal. Este periculoasa, deoarece transporta aproximativ 80% din energia totala a cutremurului de pamant.
Are viteza medie de propagare de 4,6 Km/s ( pentru structura geologica Vrancea la o adancime intermediara ). Determina distrugeri proportionale cu magnitudinea cutremurului si cu durata de oscilatie. Cladirile cad datorita intrarii in rezonanta a frecventei proprii de oscilatie a structurii cladirii cu frecventa undei incidente, in acest caz efectul distructiv fiind puternic amplificat.

Viteza actuala a undelor seismice P si S depinde de densitatea si de proprietatile elastice ale rocilor si ale solului prin care trec. In majoritatea cutremurelor, undele P sunt primele care se simt. Efectul este similar cu cel al unei explozii sonice (sonic boom) care zgaltaie si sparge geamurile.

Cateva secunde mai tarziu soseste si unda S astfel incat miscarea pamantului este si verticala si orizontala. Aceasta unda S are cel mai distructiv efect asupra cladirilor.

In timp ce viteza exacta a undelor P si S variaza in functie de compozitia materialului prin care se deplaseaza, raportul dintre vitezele celor doua unde va ramane relativ constant in orice cutremur. Undele P se deplaseaza in general de 1,7 ori mai rapid decat undele S. Folosind acest raport, seismologii pot calcula distanta dintre orice punct de pe suprafata pamantului si epicentrul cutremurului, mai exact punctul unde vibratiile isi au originea.

Al treilea tip de unda este numita unda de suprafata pentru ca miscarea sa este limitata doar la suprafata pamantului. Asemenea unde seamana cu valurile produse de vant pe suprafata unui lac.

Undele seismice de suprafata se impart in doua tipuri: unde-iubire (Love) si unde Rayleigh. Miscarea undelor-iubire seamana cu cele S, doar ca nu se deplaseaza si pe verticala, ci doar pe orizontala intr-un plan paralel cu suprafata pamantului, formand unghiuri de 90⁰ pe directia propagarii. Undele R au acelasi efect ca valurile oceanice, maturand din calea lor rocile, cu miscari verticale si orizontale, intr-un plan vertical cu directia deplasarii undelor. Fiecare bucatica de roca se misca sub forma unei elipse pe masura ce unda R trece. Undele de suprafata se deplaseaza mai incet decat undele S si P, iar dintre cele doua unde de suprafata, unda-iubire se misca mai repede decat unda R.
Cand undele P si S trec din stratul de roci in crusta, sunt reflectate si refractate. De asemenea, cand o unda este reflectata sau refractata, o parte din energia unui tip de roca trece odata cu unda in alt tip de roca. Cand undele S si P ajung la suprafata pamantului, majoritatea energiei ce o au este reflectata inapoi in crusta, astfel incat suprafata este afectata aproape simultan de miscari de urcare si de coborare. Din acest motiv au loc la suprafata cutremure considerabile, uneori cu amplitudine dubla decat ar fi normal. Dupa mai multe cutremure, lucratorii din mine au raportat miscari mai mici, decat cei de la suprafata.

Puterea undelor seismice de toate tipurile este diminuata datorita proprietatilor non-elastice ale rocilor si solului. Undele S sunt mai atenuate decat cele P, dar pentru amandoua atenuarea creste cu cat frecventa creste. Descrierea fizica este aproximativa si, desi s-au verificat indeaproape undele inregistrate de seismografe de la o distanta considerabila de sursa undelor ('terenul indepartat'), nu se pot explica detaliile importante ale miscarii grele din apropierea centrului unui cutremur mare ('terenul apropiat').
Distingerea undelor P, S si a celor de suprafata nu este usoara. Oricum, in ultimii ani, in urma unor studii interne si realizarea unor modele tectonice, s-a progresat in clarificarea acestor probleme. Undele seismice sunt afectate atat de conditia solului, cat si de topografie.

Stiinta care se ocupa cu studiul cutremurelor este seismologia, unul din cele mai interesante si mai populare domenii ale fizicii. Impactul pe care cutremurele il au asupra societatii, precum si diversele aplicatii pe care seismologia le are in domenii ca geologia, stiinte ale mediului etc. fac din studierea modului de geneza si propagare a seismelor un domeniu deosebit de important si, in acelasi timp, interesant.
    Primul stimul modern pentru seismologie a fost in urma unei extinse "munci de teren" a inginerului irlandez Robert Mallett, dupa marele cutremur din 1857 din sudul Italiei. El explica fenomenul "maselor de pietre si mortar dislocate" in termenii principiilor mecanice stabilind un vocabular specific cum ar fi "seismologie", "hipocentru" si "izoseismic". Astfel de legaturi stranse intre inginerie si seismologie au continuat inca de atunci.
    Seismologia explica si prezice amplitudinea in urma observarii distrugatoarelor cutremure de lunga durata. Oricum, in primii 60 de ani ai secolului trecut, s-a obtinut un avantaj in studierea undelor de la distanta folosindu-se seismografe foarte fine. Pentru ca amplitudinea undei unui cutremur cu magnitudinea 5 depaseste raza dinamica a unui seismograf obisnuit, nu s-au intreprins lucrari importante. Pentru a afla distanta dintre seismograf si epicentru, seismologii trebuie sa cunoasca momentul in care au ajuns vibratiile. Pe baza acestor informatii, ei pur si simplu noteaza cat timp a trecut intre aparitia celor doua unde iar dupa aceea verifica un tabel care le arata distanta pe care undele au parcurs-o, bazandu-se pe intarzierea undelor.

Adunandu-se aceste informatii din trei sau mai multe puncte, se poate localiza epicentrul, prin procesul numit trilateratie. Acest proces consta in desenarea unei sfere imaginare in jurul locatiei fiecarui seismograf, cu punctul de masurare drept centru si raza egala cu distanta masurata (notata cu X) de la acel punct pana la epicentru. Aria cercului reprezinta toate punctele aflate la X mile departare de seismograf. Atunci epicentrul trebuie sa se afle undeva pe aceasta sfera. Daca sunt desenate doua sfere, pe baza informatiilor provenind de la doua seismografe diferite, se va obtine un cerc bidimensional in punctul de concurenta al sferelor. Deoarece epicentrul trebuie sa se gaseasca in aria ambelor sfere, toate punctele epicentrale posibile sunt localizate pe cercul format prin intersectarea acestor doua sfere. O a treia sfera va intersecta doar de doua ori acest cerc, stabilind drept posibile doar doua puncte de epicentru. Si deoarece centrul fiecarei sfere se afla pe suprafata pamantului, iar unul dintre aceste puncte posibile se va gasi in aer, ramane o singura locatie logica pentru epicentru.

Intensitatea unui cutremur desemneaza efectele unui cutremur la suprafata Pamantului si se masoara pe scara Mercalli. Scara intensitatii consta in raspunsuri la intrebari ca: miscari ale mobilei in casa, stricaciuni ale cosurilor de fum si in final distrugerea totala.
    In ciuda faptului ca au fost elaborate mai multe scari pentru masurarea intensitatii, cea mai des utilizata este o scara Mercalli modificata. Aceasta scara este compusa din 12 grade, de la miscarile imperceptibile pana la distrugerile catastrofale, fiecare grad fiind desemnat prin cifre romane. Scara Mercalli nu are o baza matematica, ci este o clasificare bazata pe observarea efectelor din teren.

Magnitudinea unui cutremur, exprimata de obicei pe scara Richter(bazata pe amplitudinea undelor S), este o masura a tariei cutremurului sau a energiei eliberate in focar sub forma de unde seismice. Este o marime specifica unui cutremur, si se determina instrumental folosind amplitudinea maxima si frecventa oscilatiilor, masurata pe seismogramele inregistrate.
    Charles Richter a inventat aceasta scara in 1935 ca instrument matematic pentru compararea marimilor cutremurelor. Scara este logaritmica, astfel incat o inregistrare de gradul 7 (de exemplu) indica o miscare a solului de 10 ori mai mare decat cea corespunzatoare unui cutremur de grad 6, respectiv o energie de cca. 30 de ori mai mare. Cu toate ca scara Richter nu are, teoretic, limita superioara, exista totusi o limita si anume aceea a celui mai mare cutremur produs pana in prezent, si anume 8,8.

Mecanismul distrugator al cutremurelor

Sunt mai multe cauze distrugatoare:
a) fortele inertiale generate de miscarile serioase ale pamantului
b) schimbari in proprietatile fizice ale solului
c) deplasari directe ale placilor tectonice
d) alunecari de teren sau alte miscari superficiale
e) unde seismice cum ar fi tsunami sau miscari ale substantelor fluide
f) distrugeri cauzate de mari schimbari tectonice, de inaltarea pamantului.
Din aceste categorii, de departe cel mai periculos si mai raspandit cutremur, insotit de nenumarate pierderi de vieti, este cel cauzat de miscarile puternice ale pamantului.

Zone seismice

Oamenii de stiinta au inceput sa cartografieze locurile in care sunt frecvente cutremurele inainte de a intelege motivul cutremurelor. Ele se pot intalni in orice loc in care rocile se misca de-a lungul liniilor, dar majoritatea cutremurelor mari se produc in anumite zone, bine determinate. Sunt deosebit de frecvente in regiunile vulcanice, de exemplu in Cercul de Foc al Pacificului. Pe masura ce metodele de determinare a localizarii cutremurelor au devenit mai precise, si hartile au fost imbunatatite, conturandu-se o imagine mult mai clara despre activitatea seismica. Desi cutremurele se pot produce peste tot in lume, sunt mai frecvente in regiunile din apropierea marginilor placilor tectonice. Una dintre cele mai importante este linia de refractie Sf. Andrei; aceasta se intinde de-a lungul coastei de vest a SUA , fiind locul de pornire al cutremurelor din California. Multe linii de refractie se intind si in imprejurimile Chinei si ale Japoniei. Kobe, de exemplu, este situat pe linia de refractie Najima.

Tsunami sunt valuri uriase provocate de seisme. Ele sunt foarte periculoase pentru populatia din regiunile de pe coasta. Oamenii de stiinta incearca sa prevada producerea lor, pentru a le limita consecintele. Seismele submarine si toate deplasarile importante care au loc pe fundul oceanului (eruptii vulcanice, alunecari de teren etc.) au ca efect impingerea brusca a coloanei de apa de deasupra. Miscarea se propaga in ocean sub forma unei unde care are o viteza de 700-800 km/h.
In larg, aceasta unda poate trece neobservata, fiindca valurile pe care le produce nu ating in inaltime mai mult de un metru. Dar cand unda ajunge in apropierea tarmurilor, datorita adancimii reduse, valurile sunt din ce in ce mai inalte si se abat asupra malurilor, maturand tot ce le sta in cale. Uneori, marea se retrage, apoi revine in forta. Valurile succesive strivesc sau imping spre interiorul uscatului oameni si vite, ambarcatiuni si case, apoi, cand se retrag, aspira victimele si daramaturile.

Semnale de avertisment

Schimbarea    comportamentului animalelor poate semnala apropierea unui cutremur. Cainii scheauna, caii se sperie, pasarile devin nelinistite si zboara in cerc. In 1975, locuitorii unui oras chinezesc au observat cum, cu cateva ore inainte de cutremur, animalele isi paraseau locuintele. Cercetatorii mai studiaza si apele fantanilor din zonele seismice. Inainte ca rocile subterane sa se sfarame in bucati, structura lor cristalina devine ai deschisa, apoi se inchide din nou, eliberand substanta numita radon in apele freatice; radonul ajunge in fantani, iar cresterea concentratiei acestuia poate fi un semnal de avertizare al cutremurului. Inainte de seism, se mai pot elibera si gaze cu incarcare electrica. Acestea sunt slab incandescente si se numesc "lumini seismice". Concentratia de hidrogen poate fi de 10 ori mai mare langa liniile de refractie inaintea unui cutremur.

Diminuarea efectului distrugator

Desi niciuna dintre metodele de detectare a seismelor enumerate nu este infailibila, ele au contribuit la imbogatirea cunostintelor noastre despre seisme si in continuare se studiaza posibilitatile de diminuare a efectului distrugator al acestora. Dupa unii, cu mici explozii se pot provoca cutremure de intensitati scazute, slabind astfel tensiunea rocilor care determina cutremure puternice. In cateva locuri s-a injectat apa in liniile de refractie, provocand cutremure mai mici. Si de aici s-a ajuns la uimitoarea concluzie ca, prin cutremure mici si controlate artificial, se pot elibera tensiunile acumulate. In plus, constructorii din America si Japonia studiaza metodele de constructie rezistente la cutremure, pentru ca peretii care se prabusesc reprezinta unul dintre cele mai mari pericole. Aceasta se poate evita prin proiectarea unor cladiri fara ornamente grele si cosuri.

Masuri de precautie

organizarea de exercitii sistematice, pentru ca fiecare sa stie ce este de facut in timpul cutremurelor

in timpul cutremurelor, este indicat sa se stea sub mobila mai rezistenta sau sub tocul usii

fiecare incendiu trebuie stins imediat, ca nu cumva gazul care se scurge din conductele sparte sa ia foc si sa explodeze.

Concluzii

Din confruntarea tuturor masuratorilor, a tuturor datelor de observatie, ale diverselor curbe statistice, se va putea ajunge intr-o zi sa se prevada iminenta unor mari cutremure de pamant distrugatoare. Fie ca se va ajunge sau nu aici, studiul acestui fenomen formidabil ramane pasionant si ingaduie mintii sa sondeze partile cele mai indepartate ale planetei si ne pune fata in fata cu realitatea atat de aspra; noi traim si gandim datorita unei miraculoase conjuncturi de temperaturi, presiuni si echilibre psiho-chimice pe suprafata mobila a unui glob colosal, ale carui ingrozitoare zguduiri sunt singurul limbaj care ne dezvaluie misterele adancimilor lui inaccesibile.

BIBLIOGRAFIE:

Revista enciclopedica "Arborele Lumii" - capitolul Planeta Pamant

Mandrescu N. -    "Cutremure de pamant"

Bleahu M. - "Tectonica Globala"

Haroun Tazieff - "Cand Pamantul se cutremura", Ed. Stiintifica, Bucuresti, 1986