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

32-1 Čím hlbšie, tým teplejšie

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 ( $1 0^{1}$ -krát) väčšia, pri magnitúde 7 je 100-krát ( $1 0^{2}$ -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 $1 μ m$ , 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 $0, 35 μ m$ . 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

$A = \frac{1 0^{M + 1, 67}}{D^{2, 56}} .$

Pre $M = 6$ a $D = 100 km$ dostaneme

$A ∕ μ m = \frac{1 0^{7, 67}}{10 0^{2, 56}} = \frac{4, 7 \times 1 0^{7}}{1, 3 \times 1 0^{5}} = 355,$

teda $A = 355 μ m .$ 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

$1 0^{3 ∕ 2}$ -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 $1, 26 g$ ).

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:

Vlny typu P (tlakové vlny, alebo rázové vlny) – tieto vlny sú pozdĺžne vlny (longitudinálne), ktoré sa dobre šíria pevnom i v kvapalnom prostredí.
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 $3, 3 \times 1 0^{6} atm \approx 3, 3 \times 1 0^{11} Pa$ , 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.

32-3 Prečo je teplé vnútro Zeme?