Сейсмограф на обраній станції
Ця симуляція простежує сейсмічні промені від епіцентру землетрусу крізь сферично-симетричну чотиришарову модель Землі: кора та мантія, нижня мантія, рідке зовнішнє ядро та тверде внутрішнє ядро. Об'ємні хвилі заломлюються на межах згідно із законом Снелла, sin(θ₁)/v₁ = sin(θ₂)/v₂. Кожен промінь зберігає сталий параметр променя p = sin(i)/v, тож шлях інтегрується крок за кроком углиб і повертає назад нагору на радіусі повороту.
Повзунок кута епіцентру обертає джерело землетрусу вздовж поверхні, а повзунок кількості променів задає, скільки кутів виходу (4–24) запускається. P-хвилі (помаранчеві) проникають крізь усі шари; S-хвилі (сині, пунктирні) зупиняються на зовнішньому ядрі, бо рідина не передає зсувних деформацій. Синтетичний сейсмограф нижче показує час приходу P- та S-хвиль, ілюструючи, чому сейсмологи використовують різницю часів пробігу для визначення місць землетрусів і дослідження глибинної будови Землі.
Яка різниця між P-хвилями та S-хвилями?
P-хвилі (первинні) — це поздовжні хвилі, які стискають і розтягують матеріал уздовж напрямку поширення, тож вони проходять як крізь тверді тіла, так і крізь рідини. S-хвилі (вторинні) — це зсувні хвилі, що зміщують матеріал убік і можуть поширюватися лише крізь тверді тіла. P-хвилі швидші, тому вони завжди приходять на сейсмограму першими.
Що таке сейсмічна зона тіні?
Зона тіні — це смуга епіцентральних відстаней, приблизно від 103° до 142° у цій моделі, де прямі P-хвилі не досягають поверхні. Вона виникає тому, що рідке зовнішнє ядро значно повільніше за мантію, тож промені, які в нього входять, різко заломлюються всередину. Симуляція затіняє цей сектор червоним кольором навколо епіцентру.
Чому S-хвилі зупиняються на зовнішньому ядрі?
S-хвилі — це зсувні хвилі, і для поширення їм потрібна жорсткість матеріалу. Зовнішнє ядро — це рідке залізо й нікель, яке не має зсувної міцності, тож S-хвилі не можуть крізь нього пройти. Їхня відсутність за межами приблизно 103° була ключовим історичним доказом того, що зовнішнє ядро Землі розплавлене.
Перший повзунок задає кут епіцентру (0°–180°), обертаючи джерело землетрусу навколо земної кулі та зміщуючи місце, де лежить зона тіні. Другий повзунок задає кількість променів, запущених із джерела, від 4 до 24 з кроком два, тож можна побачити розріджений віяло чи щільний.
Заломлення підкоряється закону Снелла, sin(θ₁)/v₁ = sin(θ₂)/v₂. Для сферично-симетричної Землі це переходить у співвідношення параметра променя p = r·sin(i)/v(r), яке лишається сталим уздовж променя. Промінь повертає там, де v(r) дорівнює 1/p, а симуляція чисельно інтегрує кутовий проміжок, поки промінь крокує всередину й назовні.
Модель використовує характерні 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 рухаються приблизно з 64% локальної швидкості P-хвиль. Ці значення достатньо близько наближають реальні профілі Землі, щоб відтворити зону тіні.
Це навчальна модель, а не дослідницький інструмент. Вона використовує кусково-сталі швидкості, спрощену чотиришарову Землю та наближене інтегрування променів, тож шляхи й часи приходу є радше ілюстративними, ніж точними. Проте якісна фізика — заломлення, зона тіні та бар'єр ядра для S-хвиль — добре відповідає реальній сейсмології.
Хоча зовнішнє ядро відхиляє промені від смуги 103°–142°, P-хвилі, які проходять глибоко в ядро, заломлюються знову й виходять на більших відстанях. Саме тому пряма P-хвиля повертається за межами приблизно 142°, лише із затримкою та послабленням. Внутрішнє ядро також може відбивати й заломлювати енергію назад до ближчих станцій.
Нижня панель будує синтетичну сейсмограму для обраної станції, позначаючи прихід P-хвилі (золота лінія) і, де станція лежить поза зоною тіні, прихід S-хвилі (синя лінія). Часи приходу зростають з епіцентральною відстанню, тож проміжок між P та S збільшується з відстанню — той самий принцип, який використовують для оцінки того, як далеко стався землетрус.
Мережі сейсмометрів реєструють часи приходу P- та S-хвиль від кожного землетрусу, а різниці інвертують, щоб визначити джерело й створити зображення надр Землі. Сама наявність зони тіні та відсутні S-хвилі виявили розплавлене зовнішнє ядро, а тонкі варіації часів пробігу сьогодні картують мантійні плюми, субдукуючі плити та внутрішнє ядро.