Sismik dalga

Sismik dalga, Dünya veya başka gezegen gibi bir cisim içinden geçen akustik enerji dalga'sıdır. Deprem, volkanik patlama, magma hareketinden, büyük heyelan ve alçak frekanslı akustik enerji üreten büyük insan yapımı bir patlama'dan kaynaklanabilir.

Sismik dalgalar, dalgaları sismograflar, hidrofonlar (suda) veya ivmeölçerler kullanarak kaydeden sismologlar tarafından incelenir. Sismik dalgalar, çeşitli doğal ve antropojenik kaynaklardan kaynaklanan sürekli düşük genlikli titreşim olan sismik gürültüden ayırt edilir.

Sismik dalganın yayılma hızı, ortamın yoğunluk ve esnekliğine ve dalga tipine bağlıdır. Hız, Dünya'nın kabuğu ve mantosu boyunca derinlikle birlikte artma eğilimindedir ancak mantodan Dünya'nın dış çekirdeği'ne doğru keskin bir şekilde düşer.^[2]

Depremler, farklı hızlara sahip farklı dalga türleri oluşturur. Bir sismik gözlemevi tarafından kaydedildiğinde, dalgaların farklı seyahat süreleri, bilim adamlarının depremin hipomerkezini bulmasına yardımcı olur. Jeofizikte, sismik dalgaların kırılması veya yansıması Yeryüzünün iç yapısı araştırmalarında kullanılır. Bilim adamları bazen sığ, yer altı yapıları araştırmak için titreşimler üretir ve ölçerler.

Levha Tektoniği prensipleri ile yerkabuğunun katı kısmında meydana gelen gerilmeler, bu enerjilerini fay hareketleri ile (yanal atılımlı, düşey atılımlı, çapraz atılımlı vb.) ya da bilinen ismi depremlerle ortaya çıkarırlar. Deprem oluştuğunda yeryüzüne sırası ile iki çeşit hareket dalgası ulaşır: P-dalgası öncül dalgadır ve yer yüzeyine paralel doğrultudaki titreşimlerdir. P-dalgası yıkıcı özellik içermeyip yayılımı yere paralel olduğu için ilk önce yeryüzüne varan titreşimdir.

S dalgası ise yeryüzeyine göre dik yönde hareket eder.

P ve S dalgaları içinden geçtikleri ortama göre 5 ile 15 km/saniye de ilerler. S-dalgaları ilerleme hızı P-dalgalarına göre yarı yarıyadır. Deprem dalgalarının hızı, içinden geçtikleri ortamın yoğunluğuna bağlıdır. P ve S dalgaları yerkabuğunun derinliklerinde, yertabakalarının türüne bağlı olarak (kömür katmanı, çamur, petrol, kayaç gibi), bir kayaç türünden diğerine geçerken kırılırlar. Yerbilimciler, dalgaların kırılma şekillerini inceleyerek yerkürenin derinliklerinin bir modelini yaratabilirler.

Birçok sismik dalga türü arasında, Dünya'nın içinden geçen “Cisim dalgaları” ile Dünya yüzeyinde hareket eden “yüzey dalgaları” arasında geniş bir ayrım yapılabilir.^{[3]:48–50[4]:56–57}

Bu makalede açıklananlardan başka dalga yayılma modları vardır; yer kaynaklı dalgalar için nispeten önemsiz olsalar da, asterosismoloji durumunda önemlidirler.

• Cisim dalgaları Dünya'nın iç kısımlarından geçer.
• Yüzey dalgaları yüzey boyunca yayılır. Yüzey dalgaları, üç boyutta hareket eden cisim dalgalarından mesafeyle daha yavaş bozulur.
• Yüzey dalgalarının parçacık hareketi cisim dalgalarından daha büyüktür, bu nedenle yüzey dalgaları daha çok hasara neden olma eğilimindedir.

Cisim dalgaları, yoğunluk ve modülüs (katılık) açısından malzeme özellikleri tarafından kontrol edilen yollar boyunca Dünya'nın içinde hareket eder. Yoğunluk ve modül ise sıcaklığa, kompozisyona ve malzeme fazına göre değişir. Bu etki, ışık dalgaları'nın kırılmasına benzer. İki tür parçacık hareketi, iki tür cisim dalgasıyla sonuçlanır: Birincil ve İkincil dalgalar.

Birincil dalgalar (P-dalgaları), doğası gereği boyuna olan sıkıştırma dalgalarıdır. P-dalgaları, önce sismograf istasyonlarına varmak için yeryüzünde diğer dalgalardan daha hızlı hareket eden basınç dalgalarıdır, bu nedenle "Birincil" adı verilir. Bu dalgalar, sıvılar da dahil olmak üzere her tür malzemeden geçebilir ve S dalgalarından yaklaşık 1,7 kat daha hızlı hareket edebilir. Havada ses dalgaları şeklini alırlar, dolayısıyla ses hızı ile hareket ederler. Tipik hızlar havada 330m/sn, suda 1450m/sn ve granitte yaklaşık 5000m/sn'dir.

İkincil dalgalar (S dalgaları), doğası gereği enine olan kesme dalgalarıdır. Bir deprem olayının ardından S dalgaları, daha hızlı hareket eden P dalgalarından sonra sismograf istasyonlarına gelir ve yayılma yönüne dik olarak zemini yer değiştirir. Yayılma yönüne bağlı olarak, dalga farklı yüzey özellikleri alabilir; örneğin, yatay olarak polarize S dalgaları durumunda, zemin dönüşümlü olarak bir tarafa ve sonra diğer tarafa hareket eder. Akışkanlar (sıvılar ve gazlar) kayma gerilmelerini desteklemediğinden, S dalgaları yalnızca katıların içinden geçebilir. S dalgaları, P dalgalarından daha yavaştır ve herhangi bir malzemede hızları tipik olarak P dalgalarının yaklaşık %60'ı kadardır. Kesme dalgaları herhangi bir sıvı ortamdan geçemez,^[5] bu nedenle, dünyanın dış çekirdeğinde S dalgalarının olmaması sıvı bir durumu düşündürür.

Sismik yüzey dalgaları Dünya yüzeyinde hareket eder. Mekanik yüzey dalgalarının bir biçimi olarak sınıflandırılabilirler. Yüzey dalgalarının genliği yüzeyden uzaklaştıkça azalır ve sismik cisim dalgalarından (P ve S) daha yavaş yayılır. Çok büyük depremlerden kaynaklanan yüzey dalgaları, birkaç santimetrelik küresel olarak gözlemlenebilir genliğe sahip olabilir.^[6]

Yer yuvarlanması da denilen Rayleigh dalgaları, su yüzeyindeki dalgalara benzer hareketlerle yayılan yüzey dalgalarıdır (ancak sığ derinliklerdeki ilişkili sismik parçacık hareketinin genellikle geriye doğru olduğunu ve Rayleigh ve diğer sismik dalgalardaki geri yükleyen kuvvetin de, su dalgalarında olduğu gibi yer çekimine bağlı değil, elastik olduğunu not ediniz.) Bu dalgaların varlığı 1885 yılında Lord Rayleigh John William Strutt tarafından tahmin edilmişti.^[7] Rayleigh dalgaları cisim dalgalarından daha yavaştır, örneğin tipik homojen elastik ortam için S dalgalarının hızının kabaca %90'ı kadardır. Katmanlı bir ortamda (örneğin kabuk ve üst mantoda) Rayleigh dalgalarının hızı, frekanslarına ve dalga boylarına bağlıdır.

Stoneley dalgası, katı-akışkan sınırında veya belirli koşullar altında aynı zamanda katı-katı sınırında yayılan bir tür sınır dalgasıdır (veya arayüz dalgasıdır). Stoneley dalgalarının genlikleri, temas eden iki ortam arasındaki sınırda maksimum değerlidir ve temastan uzaklaştıkça üstel olarak azalır. Bu dalgalar aynı zamanda sıvı dolu bir sondaj deliğinin duvarlarında da üretilebilir; düşey sismik profillerde (VSP) önemli tutarlı bir gürültü kaynağıdır ve sonik kayıtta kaynağın alçak frekans bileşenini oluşturur.^[8]

Stoneley dalgalarının denklemi ilk olarak Cambridge'den Sismoloji Emeritus Profesör Dr. Robert Stoneley (1894–1976) tarafından verilmiştir.^[9][10]

Love dalgaları, yalnızca katmanlı bir ortamın varlığında mevcut olan yatay olarak polarize edilmiş kayma dalgalarıdır (SH dalgaları).^[11] Adlarını 1911'de dalgaların matematiksel modelini yaratan İngiliz matematikçi Augustus Edward Hough Love'dan alırlar.^[12] Genellikle Rayleigh dalgalarından biraz daha hızlı, yani S dalgası hızının yaklaşık %90'ı oranında hareket ederler.

Dünyanın serbest salınımları, zıt yönlerde hareket eden iki yüzey dalgası arasındaki girişimin sonucu olan duran dalgalardır. Rayleigh dalgalarının girişimi küresel salınım S ile sonuçlanırken, Love dalgalarının girişimi toroidal salınım T 'yi verir. Salınım modları üç sayıyla belirtilir; ör. _nS_l^m ki burada l, açısal sıra numarasıdır (veya küresel harmonik derecesi ‘dir, daha fazla ayrıntı için Küresel harmoniklere bakınız).

M sayısı azimut sıra numarasıdır. −l 'den +l 'ye kadar 2l+1 değerini alabilir. N sayısı radyal sıra numarası ‘dır. Yarıçapı n sıfır geçişli dalga anlamına gelir. Küresel simetrik Dünya için verilen n ve l periyodu mye bağlı değildir.

Küresel salınımların bazı örnekleri, tüm Dünya'nın genişlemesini ve daralmasını içeren ve yaklaşık 20 dakika periyodlu "nefes alma" modu ₀S₀ ve iki alternatif yönde genişlemeleri içeren ve yaklaşık 54 dakikalık süreli "ragbi" modu ₀S₂ ’dir. ₀S₁ modu yoktur çünkü ağırlık merkezinde değişiklik gerektirecek ve bu da harici bir kuvvet gerektirecektir.^[3]

Temel toroidal modlardan ₀T₁, Dünya'nın dönüş hızındaki değişiklikleri temsil eder; bu olmasına rağmen sismolojide faydalı olamayacak kadar yavaştır.

₀T₂ modu, kuzey ve güney yarımkürelerin birbirine göre bükülmesini tanımlar ve yaklaşık 44 dakika sürelidir.^[3]

Dünyanın serbest salınımlarına ilişkin ilk gözlemler, 1960 yılında Şili'de olan büyük depremde yapıldı. Günümüzde binlerce mod dönemleri gözlemlenmiştir. Bu veriler, Dünya'nın iç kısmının büyük ölçekli yapılarını sınırlamak için kullanılır.

Bir deprem olduğunda, merkez üssü yakınındaki sismograflar hem P hem de S dalgalarını kaydedebilir, ancak daha uzak mesafedekiler artık ilk S dalgasının yüksek frekanslarını tespit edemez.

Kesme dalgaları sıvılardan geçemediğinden bu doğa olayı, Richard Dixon Oldham tarafından gösterildiği gibi, Dünya'nın sıvı dış çekirdeği olduğuna dair gözlemin orijinal kanıtıydı. Bu tür gözlemler aynı zamanda sismik testlerle Ay'ın sağlam bir çekirdeğe sahip olduğunu iddia etmek için de kullanılır; ancak son jeodezik çalışmalar çekirdeğin hâlâ erimiş olduğunu göstermektedir.