P-Wawy, S-Wawy i Jak Trzęsienia Ziemi Odkryły Jędrzawe Kern

Dwie wody, jedno trzęsienie ziemi

Gdy skała nagle rozprzestrzeni się po korycie, wydzielona energia radiuje w dół jako elastyczne wody przez sól Ziemi, i robi to jednocześnie w dwóch podstawowo różnych trybach. P-wavy (pierwsze, czyli kompresyjne wody) naciskają i rozciągają skałę w kierunku ruchu, dokładnie jak dźwięk przenoszący się przez powietrze -- cząsteczki oscylują wzdłuż osi wodzy równolegle do ruchu wody. S-wavy (drugie, czyli obrotowe wody) zamiast tego drgają skałą prostopadle do kierunku ruchu, jak szarpnięta lina. Ta różnica w mechanizmie powrotnym -- kompresja przeciwko obrotowi -- jest również przyczyną, dlaczego jedna woda jest szybsza od drugiej.

Vp = sqrt((K + 4/3*mu) / rho) Szybkość P-wavy Vs = sqrt(mu / rho) Szybkość S-wavy K moduł oporu do kompresji (opór przeciwko naciskowi) mu moduł obrotowy (opór przeciwko zmianom kształtu) rho gęstość Ponieważ wzór na szybkość P-wavy zawiera zarówno moduł oporu do kompresji K, jak i moduł obrotowy mu, podczas gdy wzór na szybkość S-wavy zależy tylko od obrotu, a K jest zawsze dodatni, P-wavy są zawsze szybsze -- typowo około 1,7 razy szybsze niż S-wavy w typowej skałce krustalnej. To dlatego P-wawa zawsze dotrze do sejsmometru pierwsza (zatem

Vp = sqrt((K + 4/3*mu) / rho)     P-wave speed
Vs = sqrt(mu / rho)                S-wave speed

K     bulk modulus (resistance to compression)
mu    shear modulus (resistance to shape distortion)
rho   density

Krytyczna różnica: S-wavy nie mogą przenikać przez ciecz

Wawa skrętowa wymaga siły odpychającej, która opiera się na zmianie kształtu -- a płyn, z definicji, nie ma odporności na skręt; prosto przepływa zamiast wrócić do pierwotnego kształtu. Moduł skrętowy mu wynosi zero, więc wzór na prędkość S-wavy daje dokładnie zero: S-wavy nie mogą przenikać przez ciecz wcale. P-wavy, które potrzebują tylko odporności na zmiany objętości (zaciśnięcia), przepływnie przechodzą przez płyn i gaz -- to dokładnie taka sama metoda, jaką używa dźwięk do przekazywania się w powietrzu i wodzie.

Pomerańczowy obszar: jak sismologia odkryła ciepłą jądro

Ta jedna faktura – S-wavy umierają w cieczy, podczas gdy P-wavy nie – jest tą, która pozwoliła sejsmologom odkryć, że jądro Ziemi jest cieczowe, kilkaset lat przed tym, jak ktoś mógłby go bezpośrednio próboć. Po wielkim terroryzmie wokół świata sismograficznych instrumentów pokazuje pas około 103 do 142 stopni łuku oddalony od epicentra, gdzie nie docierają żadne bezpośrednie S-wavy, a P-wavy również docierają z opóźnieniem i słabsze niż przewidywane w modelu jednorodnej Ziemi, ponieważ uderzając na jądro zewnętrznego, ulegają niewielkim odtychniom. Ten brak jest pomerańczowym obszarem. Richard Oldham pierwszy zaproponował istnienie jądra w 1906 roku na podstawie opóźnionych przybyć P-wawy, a Beno Gutenberg ustalił głębokość granicy jądro-maksa w 1913 roku; całkowita brak S-waw directnych w pomerańczowym obszarze stała się dowodem decydującym, że z pewnością jądro zewnętrzne musi być cieczowe – solida lub nawet bardzo gęstościowego jądra nie mogłoby blokować fal skrętościowych tak completely.

P-wave shadow zone:   103 deg to 142 deg from epicentre (weakened, refracted)
S-wave shadow zone:   > 103 deg from epicentre (essentially absent -- no path through liquid outer core)

Lamizalista Ziemia, krzywe ścieżki

Ziemia nie jest jednorodna, więc prędkość dźwięku zmienia się z głębokością ze względu na zmiany ciśnienia, temperatury i składu -- a także według praw Snella, wówczas dźwięk skręca przy przejściu przez granicę między materiałami o różnych prędkościach -- dokładnie tak samo jak światło odrażające się i przekierowywane przez lenc. To sprawia, że ścieżki sejsmiczne przechodzące przez rzeczywistą Ziemię są łagodnie krzywe, a nie proste linie, skręcając bardziej ostro przy ostrej przekroczeniach takich jak granica krusty-manteli (Moho) i manteli-kernu. Odrażania i odwracanie się światła na tych granicach powodują całą rodzinę drugich przybyć fal dźwiękowych (z nazwami takimi jak PcP, PKP, ScS), które sejsmologowie używają do mapowania głębokości i właściwości każdego warstwy wewnętrznej, podobnie jak wykonanie pełnego skanu CT planety za pomocą niczym innym niż trzęsień ziemi jako źródła światła i sejsmografów jako detectorów.

Co symulacja modeluje

Demo propaguje dwie kręte falowe zewnątrz od punktu źródłowego na dwa różne stałe prędkości – stosunek P/S blisko 1,7 – i rejestruje ich dotarcie do jednego lub większej liczby pozycji sejsmograficznych, powtarzając charakterystyczny sejsrometr z dwoma wstrząsami: najpierw mniejszy wstrząs spowodowany falą P, a następnie kilka sekund później większa i bardziej szkodliwa dotarcie fali S. Model pełnej Ziemi mógłby również przedstawić zony cieni jadłodajnego serca przez wyłączenie propagacji fal S w regionie zewnętrznego jadłodajnego serca, a także odwracanie obu typów fal przy każdym granicznym warstwie, co dokładnie jest obliczeniem, które sejsmologowie rzeczywisci wykonują, aby wywnioskować strukturę wewnętrzną Ziemi na podstawie tylko obserwacji powierzchniowych.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Earthquake Wave Propagation Simulation i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.