امواج لرزه‌ای چیست؟
زمین‌لرزه و تولد امواج لرزه‌ای
همه چیز از یک نقطه در اعماق زمین به نام کانون1 شروع می‌شود. در این نقطه، فشار و انرژی ذخیره‌شده در سنگ‌ها آن‌قدر زیاد می‌شود که سنگ‌ها به‌طور ناگهانی می‌شکنند و انرژی عظیمی را به شکل امواج به تمام جهات آزاد می‌کنند. نقطهٔ دقیقاً بالای کانون روی سطح زمین، مرکز سطحی2 نام دارد. این امواج انرژی هستند که از سنگ‌ها، خاک و حتی آب عبور می‌کنند و وقتی به سطح می‌رسند، آن‌چه ما به عنوان زمین‌لرزه احساس می‌کنیم را ایجاد می‌نمایند.
انواع اصلی امواج لرزه‌ای: امواج بدنی و سطحی
امواج لرزه‌ای را می‌توان به دو دستهٔ بزرگ تقسیم کرد: امواج بدنی3 که از درون حجم زمین عبور می‌کنند و امواج سطحی4 که در نزدیکی سطح زمین حرکت می‌کنند و معمولاً مخرب‌تر هستند.
| ویژگی | امواج P (اولیه) | امواج S (ثانویه) |
|---|---|---|
| نوع حرکت | فشاری-انبساطی (مثل فنر) | برشی (عمود بر جهت حرکت) |
| سرعت | ~6 km/s (سریع‌تر) | ~3.5 km/s (کندتر) |
| عبور از مواد | جامد، مایع، گاز | فقط مواد جامد |
| خسارت | معمولاً کم | متوسط |
ثبت امواج: لرزه‌نگار چگونه کار می‌کند؟
دانشمندان این امواج نامرئی را با دستگاهی به نام لرزه‌نگار5 ثبت و مطالعه می‌کنند. یک لرزه‌نگار ساده اساساً یک وزنهٔ سنگین است که به یک فنر آویزان شده و یک قلم به آن متصل است. وقتی زمین در اثر امواج لرزه‌ای می‌لرزد، پایهٔ دستگاه تکان می‌خورد اما وزنهٔ سنگین به دلیل لَختی تمایل دارد در جای خود بماند. این حرکت نسبی بین پایه و وزنه، باعث می‌شود قلم بر روی یک کاغذ که به دور استوانه‌ای می‌چرخد، یک الگوی موج‌دار رسم کند. این نمودار ثبت‌شده، لرزه‌نگاشت6 نامیده می‌شود.
خواندن داستان زمین در لرزه‌نگاشت
یک لرزه‌نگاشت برای یک زمین‌لرزهٔ دور، داستان جالبی را تعریف می‌کند. ابتدا امواج P که سریع‌تر هستند، خود را به ایستگاه می‌رسانند و یک سری نوسانات کوچک و سریع روی نمودار ایجاد می‌کنند. پس از مدتی، امواج S که کندتر هستند، می‌رسند و نوسانات بزرگ‌تری ایجاد می‌نمایند. در نهایت، امواج سطحی که کندترین اما پرانرژی‌ترین هستند، می‌رسند و بزرگ‌ترین نوسانات را روی نمودار به جا می‌گذارند که می‌تواند مدت‌ها طول بکشد.
فاصلهٔ زمانی بین رسیدن موج P و موج S ($t_s - t_p$) مانند یک ساعت عمل می‌کند. هرچه این فاصلهٔ زمانی بیشتر باشد، یعنی زمین‌لرزه از ایستگاه دورتر بوده است. دانشمندان با استفاده از این فاصلهٔ زمانی و منحنی‌های از پیش تعیین‌شده، می‌توانند فاصلهٔ کانون زمین‌لرزه تا ایستگاه را محاسبه کنند.
کاربرد امواج لرزه‌ای: از کشف نفت تا شناخت هستهٔ زمین
امواج لرزه‌ای فقط برای هشدار زمین‌لرزه نیستند. آن‌ها مانند سونوگرافی برای کرهٔ زمین عمل می‌کنند. با تحلیل چگونگی تغییر سرعت و مسیر این امواج در اعماق مختلف، دانشمندان توانسته‌اند لایه‌های داخلی زمین را کشف کنند.
مثال کشف هسته: دانشمندی به نام اینگه لمان متوجه شد امواج S پس از عبور از عمق مشخصی از زمین (حدود ۲۹۰۰ کیلومتری) ناپدید می‌شوند. از آنجایی که امواج S نمی‌توانند از مایع عبور کنند، او نتیجه گرفت که یک لایهٔ مذاب در آن عمق وجود دارد (هستهٔ بیرونی). همچنین، او مشاهده کرد که امواج P پس از عبور از همین عمق، در یک منطقهٔ سایه7 قرار می‌گیرند و سپس دوباره ظاهر می‌شوند که این نشان‌دهندهٔ وجود یک هستهٔ داخلی جامد بود.
از این فناوری (لرزه‌شناسی انعکاسی) در صنعت نفت نیز استفاده می‌شود. با ایجاد امواج لرزه‌ای مصنوعی (مثلاً با انفجارهای کوچک یا کامیون‌های ویبره‌دار) و تحلیل امواجی که از لایه‌های مختلف سنگ زیرزمین بازمی‌گردند، می‌توان محل ساختارهای سنگی مناسب برای ذخیرهٔ نفت و گاز را پیدا کرد.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
خیر. ماه‌لرزه‌ها (مونکوئیک) در کرهٔ ماه و مریخ‌لرزه‌ها در سیارهٔ مریخ نیز امواج لرزه‌ای تولید می‌کنند. کاوشگرهای فضایی مجهز به لرزه‌نگار برای مطالعهٔ ساختار داخلی این اجرام، این امواج را ثبت می‌کنند.
خیر. متأسفانه علم امروز قادر به پیش‌بینی دقیق زمان رخداد زمین‌لرزه نیست. اما سیستم‌های هشدار سریع وجود دارند که با تشخیص امواج P سریع‌الوصول (که کم‌خطرتر هستند)، می‌توانند چند ثانیه تا چند ده ثانیه قبل از رسیدن امواج مخرب S و سطحی به مناطق دورتر از مرکز زلزله، هشدار دهند. این زمان کوتاه برای خاموش کردن خطوط گاز، توقف قطارها یا پناه‌گیری اولیه می‌تواند مفید باشد.
این موضوع به عمق کانون زمین‌لرزه و نوع خاک منطقهٔ شما بستگی دارد. یک زمین‌لرزهٔ بسیار عمیق ممکن است انرژی خود را در مساحت وسیع‌تری پخش کند و در فاصلهٔ دور احساس شود. از طرفی، خاک نرم (مانند رس) می‌تواند امواج لرزه‌ای را تقویت کند، در حالی که سنگ بستر سخت آن‌ها را تضعیف می‌نماید. بنابراین ممکن است شما روی سنگ بستر باشید و زمین‌لرزهٔ نزدیکی را احساس نکنید، اما فردی در فاصلهٔ دورتر که روی خاک نرم است، همان زمین‌لرزه را به وضوح احساس کند.
پاورقی
1کانون (Hypocenter/Focus): نقطهٔ منشأ واقعی زمین‌لرزه در زیر سطح زمین.
2مرکز سطحی (Epicenter): نقطه‌ای روی سطح زمین که مستقیماً بالای کانون قرار دارد.
3امواج بدنی (Body Waves): امواج لرزه‌ای که از درون زمین عبور می‌کنند.
4امواج سطحی (Surface Waves): امواج لرزه‌ای که در سطح زمین حرکت می‌کنند.
5لرزه‌نگار (Seismograph): دستگاهی برای اندازه‌گیری و ثبت امواج لرزه‌ای.
6لرزه‌نگاشت (Seismogram): نمودار ثبت‌شدهٔ حرکت زمین توسط یک لرزه‌نگار.
7منطقهٔ سایه (Shadow Zone): منطقه‌ای روی زمین که امواج لرزه‌ای مستقیم از یک زمین‌لرزه در آن دریافت نمی‌شود.