Seismiske bølger

Seismiske bølger formerer sig som kropsbølger ("kropsbølger") eller som en akustisk overfladebølge ("overfladebølger") fra

Primære (P) og sekundære (S) rumbølger formerer sig ved forskellige hastigheder

Seismiske bølger, også kaldet jordskælv bølger, er forårsaget af fokus proces under et jordskælv og spredning derfra i alle retninger; på vej gennem jordens indre kan disse bølger brydes , reflekteres , bøjes , spredes , absorberes og transformeres.

Udbredelseshastigheden for seismiske bølger afhænger af bølgetypen og af densiteten og elasticiteten af det materiale, som bølgerne passerer igennem. De spredte sig derfor i dele af jordskorpen , jordens kappe og jordens kerne med forskellige hastigheder, fra 2 km / s til over 8 km / s.

Seismografiske stationer registrerer bølgerne i henhold til frekvens og amplitude i seismogrammer ; deres sammenligning, analyse og fortolkning er genstand for geofysisk videnskab, seismologi eller seismik . Ud over de fænomener, der naturligt er forårsaget af jordskælv, undersøges også seismiske bølger, der kunstigt er forårsaget af eksplosioner eller vibrationer . De gør det muligt at drage konklusioner om jordens struktur og natur, en bedre forståelse af processerne inde i jorden og en forbedret advarsel om jordskælv.

Seismiske bølger kan også forekomme i andre himmellegemer, for eksempel på solens overflade ^[1] (se helioseismologi ) eller overfladen af andre stjerner (se asteroseismologi ).

Seismiske bølger og seismiske "stråler"

Denne artikel danner spredning (formering) af seismiske bølger baseret på omtrentlige løsninger beskrevet som "seismiske stråler" kunne overvejes. Forholdet mellem "seismiske stråler" og "seismiske bølger" svarer til, at der mellem ray optik og bølge optik . En mere præcis beskrivelse af formeringen af seismiske bølger er mulig ved hjælp af delvise differentialligninger , de såkaldte bølgeligninger . ^[2] Disse matematiske teknikker svarer til dem for jordspektroskopi .

Bølgetyper

Om derefter seismiske bølger formerer sig i det indre af jorden eller på dens overflade, kan det i princippet være kropsbølger (engelske kropsbølger) og overfladeakustiske bølger (engl. Surface waves) er forskellige. Yderligere forskelle opstår fra typen af svingning, uanset om dets plan er i længderetningen eller på tværs af udbredelsesretningen, eller hvilken form partikelbevægelsen har.

Himmelen bølger

P -bølger (rød) registreres tidligere end S -bølger (grøn) af seismografen (driftstider er markeret)

Ændring af forplantningshastighederne for P (sort) og S -bølger (grå) med dybden i jordens indre ifølge IASP91 -referencemodellen

Navnene på de primære bølger ( P -bølger ) og sekundære bølger ( S -bølger ) beskrevet nedenfor refererer til, at de førstnævnte formerer sig hurtigere: På et sted væk fra skælvets fokus registreres P -bølgerne først og S -bølgerne først senere . Afstanden til ildstedet kan beregnes ud fra tidsforskellen mellem ankomsten af P- og S -bølgerne, deres transittidsforskel . Hvis afstanden er blevet bestemt på denne måde på mindst tre forskellige steder, kan hypocenterets omtrentlige placering specificeres inden for omfanget af målenøjagtigheden. Den geografiske placering over den på jordoverfladen kaldes epicenteret .

P bølger

P -bølgerne , forkortelse for primære bølger , er langsgående bølger , det vil sige, at de svinger i udbredelsesretningen. De kan spredes i fast sten, men også i væsker som vand eller de kvasi-flydende dele af jordens indre. Disse er kompressionsbølger (også: tryk eller kompressionsbølger), der ligner lydbølger i luften eller i vand.

Udbredelseshastigheden for P -bølgerne kan beregnes ved hjælp af følgende formel:

v_{p}={\sqrt {\frac {K+{\frac {4}{3}}\mu }{\rho }}}

{\ displaystyle v_ {p} = {\ sqrt {\ frac {K + {\ frac {4} {3}} \ mu} {\ rho}}}}

v_ {p} = {\ sqrt {{\ frac {K + {\ frac {4} {3}} \ mu} {\ rho}}}}

hvor K er kompressionsmodulet , $\mu$ ${\ displaystyle \ mu}$ $\ mu$ forskydningsmodulet og $\rho$ ${\ displaystyle \ rho}$ $\ rho$ er densiteten af det materiale, hvorigennem bølgen formerer sig.

I jordskorpen er hastigheden af P -bølgerne mellem 5 og 7 km / s, ^[3] i jordens kappe og kerne ved over 8 km / s. Udbredelseshastigheden er højest i den nederste jordkappe med næsten 14 km / s, den falder brat ved kernemantelgrænsen til omkring 8000 m / s ( lydhastighed til sammenligning: i luft ca. 340 m / s, i vand ca. 1500 m / s, i granit ca. 5000 m / s).

S bølger

S -bølgerne eller sekundære bølger svinger på tværs af udbredelsesretningen ( tværbølge ). Da de fører til forskydning af formeringsmediet, kaldes de også forskydningsbølger. S -bølger kan forplante sig i faste stoffer, men ikke i væsker eller gasser, da de to sidstnævnte ikke har nogen (bemærkelsesværdig) forskydningsmodstand. Man kan derfor identificere flydende områder i det indre af jorden ved, at der ikke kører S -bølger der.

Udbredelseshastigheden for S -bølgerne beregnes ved hjælp af følgende formel:

$v_{S}={\sqrt {\frac {\mu }{\rho }}}$ ${\ displaystyle v_ {S} = {\ sqrt {\ frac {\ mu} {\ rho}}}}$ $v_ {S} = {\ sqrt {{\ frac {\ mu} {\ rho}}}}$

Med typiske værdier for de elastiske konstanter i jorden har S -bølgerne hastigheder på 3000 til 4000 m / s i jordskorpen og omkring 4500 m / s i den øvre kappe. I den nedre kappe fortsætter hastigheden med at stige (se diagram over IASP91 -modellen i figuren). Der er ingen forskydningsbølger i den flydende ydre kerne af jorden.

Overfladebølger

Ud over P- og S -bølgerne som rumbølger er der overfladebølger . De opstår, når P- eller S -bølger brydes ind i jordoverfladen. Som med S -bølgerne finder partikelbevægelsen eller -svingningen sted vinkelret på forplantningsretningen. De er dog kendetegnet ved, at de løber på overfladen, og at bølgernes amplituder falder med dybden. Derudover falder energien fra overfladebølgerne kun med en faktor 1 / r med afstanden r, ikke med en faktor på 1 / r ² som himmelbølgernes (i hvert tilfælde forsømmer dæmpningen). Overfladebølgerne formerer sig i lodrette og vandrette svingninger.

De fleste af de bevidst opfattede rystelser i et jordskælv stammer fra overfladebølger af typen Love eller Rayleigh, hvis amplituder er mindre end de direkte bølger fra ilden, men som i visse konfigurationer - såsom smalle sedimentære bassiner med flere refleksioner - kan vare længere end resten af bølgetyperne. De ødelæggende virkninger af jordskælv kan derfor ofte spores tilbage til disse to typer bølger. Designreglerne for seismisk konstruktion derimod vedrører hovedsageligt prognosticerede amplituder for S -bølger

Kærlighed bølger

Love -bølgerne blev opkaldt efter den britiske matematiker AEH Love , ^[4], der i 1911 var den første til at oprette en matematisk model for spredning af disse bølger. De er de hurtigste overfladebølger, der spreder sig omkring 2000–4400 m / s (afhænger primært af frekvensen og dermed dybden af indtrængning i jordskorpen), men langsommere end de S -bølger, de stammer fra. Jordbevægelsen foregår i en vandret retning, vinkelret på forplantningsretningen.

Rayleigh bølger

Rayleigh -bølgerne blev opkaldt efter Lord Rayleigh , der matematisk havde bevist eksistensen af disse bølger i 1885 ^[5], før de overhovedet blev observeret. ^[6] I Rayleigh -bølger ruller jorden i en elliptisk bevægelse, der ligner havbølger. På et homogent halvrum er polarisationen altid retrograd, det vil sige, at den rullende bevægelse finder sted mod udbredelsesretningen for Rayleigh-bølgen. I det generelle tilfælde forekommer også prograde polariserede Rayleigh -bølger. ^[7] Denne rullning bevæger jorden op og ned samt frem og tilbage i bølgens udbredelsesretning. Udbredelseshastigheden, hovedsageligt afhængig af bølgelængden, er omkring 2000–4000 m / s.

Scholte vinker

Scholte-bølger er grænsefladebølger, der formerer sig langs den "flydende-faste" grænseflade, for eksempel på havbunden. Ligesom Rayleigh-bølgerne er de af typen P-SV. Det betyder, at de er elliptisk polariseret i det radial-lodrette plan. Hvis undergrunden er lagdelt, er Scholtewave dispergerende , dvs. den har derefter frekvensafhængige formeringshastigheder. Ud over den grundlæggende tilstand (med en grundlæggende frekvens ) dannes også højere ordenstilstande ( harmoniske ).

Formering i det indre af jorden

Formering af seismiske bølger i det indre af jorden

Udbredelsen af rumbølger i jordens indre beskrives normalt med en stråle -tilnærmelse som i geometrisk optik . Ifølge Snellius 'refraktionslov brydes en seismisk bølge "væk fra vinkelret" med stigende formeringshastighed og med faldende "mod vinkelret". I det indre af jorden ændres forplantningshastigheden med stigende dybde, både kontinuerligt og - ved diskontinuiteter - uregelmæssigt. Den rumlige variation i udbredelseshastigheden kan stort set registreres ved hjælp af en rent radialt symmetrisk jordmodel (f.eks. IASP91 -referencemodellen). Derfor kan der specificeres et typisk forløb for seismiske bølger, som kan ses i profilen som en bue (se figur). De seismiske faser vist i figuren navngives afhængigt af sektionerne af deres vej (P: udbredelse som kompressionsbølge, S: udbredelse som forskydningsbølge, K: udbredelse som kompressionsbølge i den flydende ydre kerne af jorden). ^[8.]

svulme

↑ Fire års SOHO -opdagelser, side 9 (PDF; 5,7 MB)
^ Seismic Wave -ligningen fra Introduction to Seismology , et foredrag af Guy Masters ved University of California, San Diego, 2010.
↑ Seismiske bølgedemonstrationer og animationer ; Kilde til formeringshastighederne angivet i artiklen, medmindre andet er angivet.
↑ jordskælvsbølger | know.de. Hentet 26. januar 2020 .
^ Lord Rayleigh: On Waves Propagated langs flyoverfladen af et elastisk fast stof . I: Proceedings of the London Mathematical Society . s1-17, nr. 1 , 1. november 1885, ISSN 1460-244X , s. 4–11 , doi : 10.1112 / plms / s1-17.1.4 ( wiley.com [åbnet 18. november 2017]).
↑ Rayleigh Wellen på Michigan Technological University -webstedet (engelsk)
↑ Peter G. Malischewsky , Frank Scherbaum, Cinna Lomnitz, Tran Thanh Tuan, Frank Wuttke: Domænet af eksistensen af prograde Rayleigh-bølge partikel forslag til simple modeller. I: Wave Motion . tape 45 , nej. 4 , 2008, s. 556-564 , doi : 10.1016 / j.wavemoti.2007.11.004 ( elsevier.com [adgang 19. november 2017]).
↑ Bormann, P., Storchak, DA, Schweitzer, J.: IASPEI -standardnomenklaturen for seismiske faser . I: Bormann, P. (red.): New Manual of Seismological Observatory Practice 2 (NMSOP-2) . 2. udgave. German Research Center for Geosciences GFZ, Potsdam 2013, s. 1–20 , doi : 10.2312 / gfz.nmsop-2_is_2.1 ( gfz-potsdam.de [adgang 18. november 2017]).

Weblinks

erdbeben-in-bayern.de , liste over de forskellige bølgetyper med diagrammer.
Seismic Wave -ligningen fra Introduction to Seismology , et foredrag af Guy Masters og Bernard Minster ved UCSD, University of California i San Diego, 2010.
Geofysisk broforløb: himmelbølger på YouTube , foredrag om himmelbølger på youtube.
Geofysisk broforløb: overfladebølger på YouTube , foredrag om overfladebølger på youtube.

[1] Fire års SOHO -opdagelser, side 9 (PDF; 5,7 MB)

[2] Seismic Wave -ligningen fra Introduction to Seismology , et foredrag af Guy Masters ved University of California, San Diego, 2010.

[3] Seismiske bølgedemonstrationer og animationer ; Kilde til formeringshastighederne angivet i artiklen, medmindre andet er angivet.

[4] jordskælvsbølger | know.de. Hentet 26. januar 2020 .

[5] Lord Rayleigh: On Waves Propagated langs flyoverfladen af et elastisk fast stof . I: Proceedings of the London Mathematical Society . s1-17, nr. 1 , 1. november 1885, ISSN 1460-244X , s. 4–11 , doi : 10.1112 / plms / s1-17.1.4 ( wiley.com [åbnet 18. november 2017]).

[6] Rayleigh Wellen på Michigan Technological University -webstedet (engelsk)

[7] Peter G. Malischewsky , Frank Scherbaum, Cinna Lomnitz, Tran Thanh Tuan, Frank Wuttke: Domænet af eksistensen af prograde Rayleigh-bølge partikel forslag til simple modeller. I: Wave Motion . tape 45 , nej. 4 , 2008, s. 556-564 , doi : 10.1016 / j.wavemoti.2007.11.004 ( elsevier.com [adgang 19. november 2017]).

[8] Bormann, P., Storchak, DA, Schweitzer, J.: IASPEI -standardnomenklaturen for seismiske faser . I: Bormann, P. (red.): New Manual of Seismological Observatory Practice 2 (NMSOP-2) . 2. udgave. German Research Center for Geosciences GFZ, Potsdam 2013, s. 1–20 , doi : 10.2312 / gfz.nmsop-2_is_2.1 ( gfz-potsdam.de [adgang 18. november 2017]).

[1]

[2]

[3]

[4],

[5],

[6]

[7]

[8.]