Processing math: 100%

32-2 Zemetrasenia

32-1 Čím hlbšie, tým teplejšie; 32-2 Zemetrasenia; 32-3 Prečo je teplé vnútro Zeme?; 32-4 Pohoria hore a dole; 32-5 Plávajúce kontinenty; 32-6 Stúpanie hôr; 32-7 Platňová tektonika; 32-8 Magnetické pole Zeme; 32-9 Fyzika atmosféry;

Úlohy

32-2 Zemetrasenia

Okrem sopečných erupcií, keď sopka vychrlí mnoho tisíc ton lávy a popola (historicky je známe zničenie Pompejí v Itálii, v novom veku to bol výbuch sopky Krakatoa v Indonézii roku 1883, či výbuch sopky Saint Helen v roku 1980), často sa prejavujú aktivity pod zemskou kôrou jej silnými otrasmi spôsobujúc menšie, či väčšie škody po celom svete.

Box 32-1 Richterova stupnica

Stáva sa, že zaznamenáte správy typu „Mesto …včera v noci zasiahlo zemetrasenie s magnitúdou 5, a vystrašených obyvateľov mesta vyhnalo z budov na ulice“. Prípadne správa bude hovoriť o tomto zemetrasení ako o zemetrasení „so silou 5“. Čo však znamená táto správa okrem toho, že informuje o zemetrasení.

Pri zemetrasení sa pôda pod našimi nohami pohybuje sem a tam, hore a dole – je to skutočné vlnenie, a amplitúda je maximálna výchylka pohybu pôdy pri tomto pohybe.

Pamätajme si, že seizmológovia každému zemetraseniu priradia len jednu hodnotu (magnitúdu). Táto hodnota je určená seizmografom, ktorý sa nachádza 100 km od miesta v zemskej kôre, či plášťa, kde zemetrasenie vypuklo (napr. pri náhlom posunutí časti platní voči sebe). Samozrejme, prakticky taký seizmograf nebude práve vtedy k dispozícii, ale Charles Francis Richter, Beno Guttenberg a iní seizmológovia vypracovali spôsob, ako prepočítať konkrétne namerané údaje do tejto vzdialenosti. Zistili, že vzdialenosť od epicentra prezrádza oneskorenie S-vĺn za P-vlnami – P vlny sa šíria rýchlejšie, než S-vlny. Z časového oneskorenia a z rozdielu rýchlostí P- a S-vĺn vzdialenosť bola známa, a našiel sa spôsob prepočtu reálne meranej amplitúdy pohybov pôdy analýzou veľkého množstva prípadov.

Druhá dôležitá vec je, že amplitúda pohybov pri magnitúde 5 je nejaká hodnota, a pri magnitúde 6 je 10-krát (101-krát) väčšia, pri magnitúde 7 je 100-krát (102-krát) väčšia – jedná sa o logaritmickú škálu (o základe 10).

Richter svoj stupnicu odvíjal od konkrétneho typu seizmografu, Woodovho-Andersonovho torzného seizmografu (iného, než je na obr. 32.1) a stanovil (svojvoľne), že magnitúda 0 je zemetrasenie, pri ktorom „pero“ seizmografu (seizmografu vo vzdialenosti 100 km od epicentra) sa vychýli na 1 μm, teda tisícinu milimetra. Magnitúda 3 potom znamená 1000-krát väčšiu výchylku „pera“, výchylku 1 mm. To ale nie je výchylka pôdy, ale to, čo zaznamená „pero“ Woodovho-Andersonovho torzného seizmografu, ktorý tieto výchylky zosilňuje. Amplitúda pohybu pôdy bude v skutočnosti len 0,35 μm. Je to konštrukčná záležitosť. Pri magnitúde 6 však aj tento výsledok bude 1000-krát väčší, teda 0,35 mm, kým pri magnitúde 8 to už bude 35 mm. Tu však pôvodná Richterova definícia viazaná na konkrétny typ seizmografu stráca platnosť. Amplitúdu pohybu pôdy A (v mikrometroch) v závislosti od vzdialenosti D od epicentra (v kilometroch) vieme približne spojiť s magnitúdou Richterovej škály M pomocou empirického vzťahu

A=10M+1,67D2,56.

Pre M=6 a D=100 km dostaneme

Aμm=107,671002,56=4,7×1071,3×105=355,

teda A=355 μm. Uvedený vzťah je ale len orientačný, a uvádzame len kvôli predstave veľkosti skutočných otrasov. Richterova stupnica (škála) má viac nedostatkov – podhodnocuje príliš silné zemetrasenia (s magnitúdou 8 a viac), neberie do úvahy trvanie otrasov a iné.

Dnes je spôsob výpočtu už iný, používajú sa iné stupnice, tie sa ale prispôsobili pôvodnej Richterovej škále – v rozsahu platnosti Richterovej definície dávajú skoro zhodné výsledky, aj keď nie sú obmedzené zhora, ani z dola, a netrpia ani inými nedostatkami. Novinári preto stále spomínajú Richtorovu stupnicu.

Dnes sa považuje za rozhodujúce, že koľko energie sa uvolní pri zemetrasení. Medzi „Richterovou škálou“ a uvoľnenou energiou je relatívne jednouchý vzťah. Ak na Richterovej stupnici sa zvýši hodnota o 1, amplitúda vzrastie 10-krát, a energia vzrastie

1032-krát, teda približne 32-krát. Ak Richterova magnitúda vzrastie o 2, amplitúda vzrastie 100-krát, energia 1000-krát. Vysoká energia zemetrasenia sa môže prejaviť v amplitúde ale tiež v zrýchlení (boli zaznamenané zemetrasenia, kde zrýchlenie pôdy bolo 1,26g).

Najsilnejšie zaznamenané zemetrasenie v novom veku bolo zemetrasenie v Chile v roku 1960 s magnitúdou 9,4-9,6.

Seizmológovia sa domnievajú, že zemetrasenie stupňa 10 a vyššie nie sú reálne – myslia tým na vnútorné zdroje Zeme, ktoré by takto silné nemali vyvolať. Energia Zemetrasení je viazaná aj na veľkosť oblasti, v ktorej sa uvoľní pri zemetrasení energia. Zemetrasenie veľkosti 12 by muselo uvoľniť energiu v rozmeroch celej Zeme – niečo podobného by sa mohlo stať pri zrážke so skutočne veľkým asteroidom, či planetoidom.

V roku 1775 otriasol Lisabon veľké zemetrasenie (magnitúdy 8,5 až 9,0 Richterovej škály – pozri box 32-1) a zomrelo okolo 15 000 ľudí; v sicílskej Messine si zemetrasenie vyžiadalo okolo 100 000 obetí v  roku 1908. Zemetrasenie v San Franciscu v roku 1906 zomrelo 452 ľudí, ale v Japonsku žijú ľudia doslovne na „sudoch s pušným prachom“. Pri zemetrasení v roku 1923 zomrelo len v Japonsku okolo 142 000 ľudí a vyše 100 000 ľudí sa zranilo. Najsmrteľnejším zemetrasením bolo v historických dobách zemetrasenie v provincii Šen-si (Shaanxi, Čína) v roku 1556 – počet obetí sa odhaduje na 830 000. Pri zemetrasení v Tchang-šane v roku 1976 zomrelo či zmizlo okolo 240 000 až 655 000 ľudí, a jednalo sa o  najväčší počet obetí v 20-om storočí. Oproti tomu novodobé zemetrasenia v  Európe málokedy majú obete (v roku 1580 v Londýne zomrel 1 človek, keď sa na neho zosypala stena).

Nech sú už zemetrasenia akokoľvek ničivé, vedcom dávajú informácie o vnútornej štruktúre Zeme, lebo vlny otrasov vychádzajúce z nejakého bodu kôry sa do vzdialenejších bodov zemskej kôry dostanú šírením sa hlbokými vrstvami planéty. Ako sme už videli predtým, spojitým prostredím sa môžu šíriť dva typy vĺn:

  1. Vlny typu P (tlakové vlny, alebo rázové vlny) – tieto vlny sú pozdĺžne vlny (longitudinálne), ktoré sa dobre šíria pevnom i v kvapalnom prostredí.
  2. Vlny typu S (priečne, či vlny strižnej deformácie) – tieto vlny sa šíria len v pevných látkach, v kvapalinách nie.

Ak vlna zemetrasenia dorazí na povrch Zeme zo vzdialeného bodu, z epicentra, pohyb pôdy v prípade P-vĺn má rovnaký smer v akom sa šíri P-vlna, kým v prípade S-vlny je kolmý na smer šírenia S-vlny. Tieto vlastnosti umožňujú, aby sme pri pohybe pôdy registrované veľmi citlivým prístrojom, seizmografom, rozlíšili P- a S-vlny.

Základným princípom činnosti seizmografu je zotrvačnosť telies, podľa ktorého teleso, ktoré je v pokoji, sa snaží zostať v pokoji (uchovať svoj pohybový stav – nehybnosť). Jednoduchý seizmograf je vlastne vodorovné kyvadlo obr. 32.1: závažie (A) pripevnené ku konci vodorovnej tyče, ktorá sa ľahko môže otočiť okolo zvislej osi (B). K osi B je pripevnená závesom s malým trením, ako to ukazuje obrázok. Ak pôda, na ktorej je seizmograf, sa pohne kolmo na rovinu určenej zvislou osou B a závažím A, závažie A – vďaka svojej veľkej zotrvačnosti – zostane v pokoji, kým stojan pod ním (spolu s  pôdou) sa pohne voči závažiu, čo sa zaznamená na papier odvíjajúci sa z  bubna konštantnou rýchlosťou. Dva takéto prístroje – umiestnené kolmo na seba – vedia zaznamenať úplnú informáciu o vodorovných pohyboch pôdy, ktoré nastali v dôsledku šíriacich sa vĺn zemetrasenia. Sú však aj seizmografy, ktoré zaznamenávajú zvislé pohyby pôdy. Seizmogramy zaznamenané prístrojmi umožňujú úplnú analýzu daným miestom prechádzajúcich otrasov pôdy, šíriacich sa vĺn zemetrasenia.

seizmogram

Obr. 32.1:Schematický obrázok jednoduchého seizmografu. Na konci vodorovnej tyče je veľké závažie (A), a tyč sa môže voľne otáčať okolo zvislej osi B. Bubon C otáča hodinový mechanizmus E. Pero D robí zázvnam na kotúč papiera pod skoro nehybným závažím A.

Pozrime sa teraz, že čo registrujú seizmografické stanice na rôznych miestach sveta, ak v nejakom bode zemskej kôry nastali dostatočne silné otrasy. Na obr. 32.2 sú vyznačené lúče, po ktorých sa šíria vlny otrasov – seizmické vlny. Na staniciach I., II. a III., ktoré sú v oblasti do 100°, je možné pozorovať obidva typy vĺn, teda P-vlny aj S-vlny – dokazuje to, že hmota Zeme má do veľkej hĺbky vlastnosti pružnej a pevnej látky (je schopná prenášať aj S-vlny). Na základe týchto zistení sme povedali vyššie, že horniny vo veľkej hĺbke síce majú teplotu nad bodom ich tavenia, ale pri tak rýchlych deformáciách, ktoré predstavujú šíriace sa S-vlny, si uchovali svoju pružnosť a pevnosť.

seizmické vlny

Obr. 32.2:Blízko zemskej kôre, v hornej časti plášťa, vznikne zemetrasenie. Obrázok ukazuje trajektóriu šírenia sa seizmických vĺn na rôzne iné miesta povrchu Zeme.

Jeden z prekvapivých faktov je, že nad 100°, počítajúc od epicentra zemetrasenia, vždy existuje tieňová zóna v tvare prstenca, do ktorej otrasy sa vôbec nedostanú. Na povrchu Zeme, presne na opačnej strane ako je epicentrum, a tiež v oblasti do 35° počítajúc od tohto miesta, znova cítiť pohyby pôsobené zemetrasením v  epicentre, ale len tie pohyby, ktoré sa šíria P-vlnami. Z tohto prekvapivého pozorovania seizmológovia (tí, ktorí sa venujú štúdiu zemetrasení) usúdili, že stredná oblasť Zeme tvorí tekuté jadro, preto nie je schopné viesť S-vlny. Takto sa už dá pochopiť aj existencia tieňovej zóny. Ak sa pozrieme na lúče, po ktorých sa šíria otrasy, vidíme, že hĺbkou rýchle rastie tlak aj hustota, v dôsledku čoho aj rýchlosť, ktorou sa seizmické vlny (P- aj S-vlny) šíria – táto skutočnosť spôsobuje, že lúče, po ktorých sa seizmické vlny šíria, sa zakrivujú smerom k povrchu Zeme. Seizmické vlny, ktoré dorazili k stanici III., a ktoré prechádzali už veľmi blízko k tekutému jadru, sú posledné také vlny, ktoré sa šírili výhradne v pružnom prostredí pevného plášťa Zeme. Vlny, ktoré smerujú ešte hlbšie, dopadnú na tekuté jadro, ktorým S-vlny už nedokážu prejsť, a P-vlny sa lámu – ako to ukazuje aj obrázok. P-vlny jadrom prejdú, a pri výstupe na druhej strane sa lámu znova, a na povrch Zeme dorazia výrazne bližšie k bodu, ktorý je presne proti epicentra – takto sa vytvorí prstencová tieňová zóna.

Závislosť rýchlosti šírenia sa pružných vĺn v rôznych hĺbkach umožňuje, aby sme získali informácie o látke, ktorá tvorí vnútrajšok našej planéty. Zistili sme, že Zem pozostáva zo sústredných guľových vrstiev ako cibuľa.

Pod relatívne tenkou vrstvou žule – ktorá tvorí podstatnú časť kontinentov – nasleduje hustejší čadič. Ako sme už povedali, tento čadič v hĺbke okolo 50 km má teplotu okolo bodu tavenia, ale v dôsledku veľkého tlaku zostal plastický. Rozborom seizmických vĺn sme sa dozvedeli o ostatných vrstvách v hĺbke medzi 400 a 1000 kilometrami. Najdôležitejšia zmena je na povrchu jadra Zeme, v hĺbke 2900 kilometrov pod našimi nohami, alebo pokiaľ to počítame od stredu Zeme, vo vzdialenosti 60 % polomeru Zeme od jej stredu. Tieto zmeny pripisujeme odlišnému chemickému zloženiu jednotlivých vrstiev. Hustota hornín postupne narastá od hodnoty 3,0 g až po 5,5 g, ktorú dosahuje nad povrchom jadra Zeme, kde sa skokom zvýši na hodnotu 9,5 g. Analýza seizmických vĺn prechádzajúcich jadrom Zeme sa ukázalo, že aj toto tekuté jadro má ešte malé jadro, ktoré je ale pevné. Vonkajšiu tekutú časť jadra nazývame vonkajším jadrom, kým pevné vnútorné jadro nazývame vnútorným jadrom. Teplotu jadra nepoznáme, ale je isté, že zákonitosť rastu teploty, ktorú sme pozorovali v plášti (30 °C na každom kilometri), v tejto hĺbke už neplatí. Teplota kôry v hĺbke 2900 km, kúsok nad tekutým vonkajším jadrom sa odhaduje na 2700 °C, tu teplota začína smerom k jadru prudko rásť. Polomer pevného vnútorného jadra určili zo seizmických pozorovaní na 1200 km, ale o teplote vnútorného jadra sa len dohaduje. Predpokladá sa, že jadro je z väčšej časti železo a nové laboratórne experimenty ukázali, že pri tlaku 3,3×106 atm3,3×1011 Pa, ktorý je na rozhraní medzi vonkajším a vnútorným jadrom, železo začne tuhnúť až pri teplote okolo 5700 °C (teda 6000 K, čo je rovné povrchovej teplote Slnka) – táto teplota je o 1000 °C vyššia, než sa odhadovalo predtým.

© 2020-2023 Paradise on Phys4U. Všetky práva vyhradené.
Vytvorené službou Webnode
Vytvorte si webové stránky zdarma! Táto stránka bola vytvorená pomocou služby Webnode. Vytvorte si vlastný web zdarma ešte dnes! Vytvoriť stránky