🌍 Поширення сейсмічних хвиль — P-хвилі, S-хвилі та зона тіні

P-хвилі (первинні) — це стискальні хвилі, що штовхають і тягнуть матеріал уздовж напрямку поширення, тож вони проходять як крізь тверді тіла, так і крізь рідини. S-хвилі (вторинні) — це зсувні хвилі, що рухають матеріал убік, і можуть поширюватися лише крізь тверді тіла. P-хвилі швидші, тому вони завжди прибувають першими на сейсмограмі.

Зона тіні — це смуга епіцентральних відстаней, приблизно від 103° до 142° у цій моделі, куди прямі P-хвилі не досягають поверхні. Вона існує тому, що рідке зовнішнє ядро набагато повільніше за мантію, тож промені, що входять у нього, різко заломлюються всередину. Симуляція зафарбовує цей сектор червоним навколо епіцентру.

S-хвилі є зсувними хвилями і покладаються на жорсткість матеріалу для поширення. Зовнішнє ядро — це рідке залізо й нікель, які не мають зсувної міцності, тож S-хвилі не можуть проходити крізь нього. Їхня відсутність за межами приблизно 103° стала ключовим історичним доказом того, що зовнішнє ядро Землі розплавлене.

Перший повзунок задає кут епіцентру (від 0° до 180°), обертаючи джерело землетрусу навколо глобуса і зсуваючи положення зони тіні. Другий повзунок задає кількість променевих траєкторій, що запускаються з джерела, від 4 до 24 з кроком у два, тож ви можете побачити розріджений або густий віяловий пучок.

Заломлення підпорядковується закону Снелла, sin(θ₁)/v₁ = sin(θ₂)/v₂. Для сферично-симетричної Землі це перетворюється на співвідношення параметра променя p = r·sin(i)/v(r), яке залишається постійним уздовж променя. Промінь повертає назад там, де v(r) дорівнює 1/p, а симуляція чисельно інтегрує кутовий діапазон, коли промінь просувається вглиб і назад назовні.

Модель використовує репрезентативні значення: близько 6,5 км/с для P-хвиль у корі, 11,0 км/с у мантії, 9,0 км/с у рідкому зовнішньому ядрі та 11,3 км/с у внутрішньому ядрі. S-хвилі в мантії поширюються зі швидкістю приблизно 64% від місцевої швидкості P-хвиль. Ці значення достатньо точно наближають реальні профілі Землі, щоб відтворити зону тіні.

Це навчальна модель, а не дослідницький інструмент. Вона використовує кусково-постійні швидкості, спрощену чотиришарову Землю та наближену інтеграцію променів, тож траєкторії й час прибуття є ілюстративними, а не точними. Однак якісна фізика — заломлення, зона тіні та бар'єр S-хвиль на ядрі — добре узгоджується з реальною сейсмологією.

Хоча зовнішнє ядро відхиляє промені від смуги 103°–142°, P-хвилі, що проходять глибоко в ядро, знову заломлюються і виходять на більших відстанях. Саме тому прямі P-хвилі повертаються після приблизно 142°, лише із затримкою та ослабленням. Внутрішнє ядро також може відбивати й заломлювати енергію назад до ближчих станцій.

Нижня панель відображає синтетичну сейсмограму для обраної станції, позначаючи прибуття P-хвилі (золота лінія) і, якщо станція перебуває поза зоною тіні, прибуття S-хвилі (синя лінія). Час прибуття масштабується з епіцентральною відстанню, тож розрив між P і S збільшується з відстанню — той самий принцип, що використовується для оцінки того, наскільки далеко стався землетрус.

Мережі сейсмометрів фіксують час прибуття P- та S-хвиль від кожного землетрусу, і різниці інвертуються для визначення місця джерела та побудови зображення надр Землі. Саме існування зони тіні та відсутність S-хвиль виявили розплавлене зовнішнє ядро, тоді як тонкі варіації часу проходження сьогодні картографують мантійні плюми, плити, що субдукують, та внутрішнє ядро.