امواج سطحی: غرش مرگبار زمین
زمین لرزه و سفر امواج درون زمین
وقتی زمین می‌لرزد، انرژی عظیمی در نقطه‌ای به نام کانون۴ زمین‌لرزه آزاد می‌شود. این انرژی به شکل امواج لرزه‌ای در همه‌جهت‌ها در داخل و روی زمین پخش می‌شود. امواج لرزه‌ای را می‌توان به دو دسته‌ی اصلی تقسیم کرد:
امواج حجمی۵: این امواج می‌توانند درون اعماق زمین حرکت کنند. آنها اولین امواجی هستند که پس از یک زمین‌لرزه توسط لرزه‌نگار۶ ثبت می‌شوند و شامل امواج $P$ (اولیه) و $S$ (ثانویه) هستند.
امواج سطحی: این امواج فقط در لایه‌های سطحی زمین (عمدتاً در پوسته) حرکت می‌کنند. آنها کندتر از امواج حجمی هستند، اما دامنه۷ بسیار بزرگ‌تری دارند و به همین دلیل مسئول اصلی خرابی‌های گسترده در زمین‌لرزه‌ها هستند.
انواع امواج سطحی و رفتار منحصر به فرد آنها
امواج سطحی خود به دو نوع اصلی تقسیم می‌شوند که هر کدام الگوی حرکت و اثرات متفاوتی دارند. درک این تفاوت‌ها کلید درک چرایی مخرب بودن این امواج است.
| ویژگی | امواج رایلی | امواج لاو |
|---|---|---|
| الگوی حرکت | حرکت ذرات به صورت بیضی‌شکل در صفحه‌ای قائم و در جهت انتشار موج است (مانند امواج سطح اقیانوس). | حرکت ذرات به صورت افقی و عمود بر جهت انتشار موج است (مانند حرکت مار). |
| سرعت تقریبی | حدود 2.5 کیلومتر بر ثانیه | حدود 4 کیلومتر بر ثانیه (از رایلی سریع‌تر است) |
| اثر اصلی بر سازه‌ها | حرکت قائم (بالا و پایین) که می‌تواند باعث فروریزش سقف‌ها و کف‌ها شود. | حرکت افقی قوی که می‌تواند پایه‌ها و ستون‌های ساختمان‌ها را از بنیان بلغزاند. |
| یک تشبیه ساده | حس کردن غلت خوردن یک ترن هوایی یا قایق روی امواج دریا. | تکان‌های شدید و ناگهانی که هنگام ایستادن در یک اتوبوس پر از جمعیت احساس می‌کنید. |
ریاضیات پشت امواج: یک نگاه ساده
برای دانش‌آموزان دوره متوسطه و دبیرستان، درک کمی از فرمول‌های مربوط به امواج می‌تواند جالب باشد. سرعت امواج سطحی به خواص مواد سطح زمین مانند چگالی ($\rho$) و خاصیت کشسانی (مدول برشی $\mu$) بستگی دارد. یک رابطه ساده شده برای سرعت موج لاو ($V_L$) به این صورت است:
این فرمول نشان می‌دهد که در یک ماده معین، هرچه زمین سفت‌تر و سخت‌تر باشد (مدول برشی $\mu$ بزرگتر)، سرعت موج لاو بیشتر است. از طرفی، هرچه ماده چگال‌تر ($\rho$ بزرگتر) باشد، سرعت موج کمتر می‌شود.
دامنه موج ($A$) نیز عاملی کلیدی در میزان تخریب است. انرژی یک موج با مربع دامنه آن نسبت مستقیم دارد:
$E \propto A^2$
این یعنی اگر دامنه یک موج سطحی دو برابر شود، انرژی آن چهار برابر می‌شود! به همین دلیل است که امواج سطحی با دامنه بزرگشان، انرژی کافی برای تخریب ساختمان‌ها را حمل می‌کنند.
امواج سطحی در عمل: از لرزه‌نگاری تا مهندسی عمران
مهندسان و لرزه‌شناسان چگونه از دانش خود درباره امواج سطحی استفاده می‌کنند؟
مطالعه ساختار پوسته زمین: از آنجایی که امواج سطحی فقط در لایه‌های سطحی حرکت می‌کنند، با تحلیل نحوه تغییر سرعت و شکل آنها می‌توان به جنس و ساختار پوسته زمین در مناطق مختلف پی برد.
طراحی ساختمان‌های مقاوم در برابر زلزله: مهندسان عمران با درک کامل از نحوه اثرگذاری امواج رایلی و لاو بر سازه‌ها، روش‌هایی را برای مقابله با آنها ابداع کرده‌اند. برای مثال، استفاده از میراگر۸ یا سیستم‌های پایه‌ای انعطاف‌پذیر می‌تواند انرژی حرکات افقی ناشی از امواج لاو را جذب و مستهلک کند.
مثال عینی: در زمین‌لرزه ویرانگر کرمانشاه در سال 1396، بسیاری از ساختمان‌هایی که فرو ریختند، در برابر تکان‌های شدید افقی (حاصل از امواج لاو) مقاومت کافی نداشتند. در مقابل، ساختمان‌های مدرنی که با اصول مهندسی زلزله ساخته شده بودند و دارای سیستم‌های جداسازی پایه بودند، آسیب بسیار کمتری دیدند.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
پاورقی
۱ Surface Waves ۲ Rayleigh Waves ۳ Love Waves ۴ Hypocenter ۵ Body Waves ۶ Seismograph ۷ Amplitude: بیشترین جابجایی ذره از موقعیت تعادلش در یک نوسان. ۸ Damper
