Fala sejsmiczna

Fale sejsmiczne – fale sprężyste rozchodzące się w Ziemi. Mogą powstać wskutek wielu czynników, np. trzęsień ziemi, eksplozji materiałów wybuchowych, działalności górniczej, sztormów na morzu.

Prędkość fal sejsmicznych zależy od typu fal, gęstości ośrodka i jego współczynników sprężystości, które z kolei zależą od temperatury i ciśnienia. W warunkach normalnych prędkość fal podłużnych (P) w suchym piasku wynosi 400–1200 m/s, w dolomitach 3500–6500 m/s, granitach 4500–6000 m/s, w bazaltach 5000–6000 m/s, w wodzie 1450–1500 m/s, i w lodzie 3400–3800 m/s. W głębi Ziemi prędkość z reguły rośnie z uwagi na zwiększanie się współczynnika sprężystości ze wzrostem ciśnienia. Jednak na granicy z jądrem zewnętrznym prędkość fal P gwałtownie maleje z głębokością z uwagi na stopienie jądra. Jądro Ziemi, jako że jest płynne, nie przenosi fal poprzecznych.

Rodzaje fal sejsmicznych:

• fale wgłębne (objętościowe) – rozchodzące się wewnątrz Ziemi,
  • fale podłużne (undae primae, P, dylatacyjne) – podczas przechodzenia tych fal materia drga w kierunku równoległym do kierunku rozchodzenia się fal; powodują ściskanie i rozciąganie skał, przez które przechodzą; mogą rozchodzić się również w płynach, w tym także w płynnym jądrze Ziemi. Fale P są najszybsze z fal sejsmicznych (stąd nazwa undae primae). Prędkość fal P wyraża się wzorem: V_P=((λ + 2μ)/d)^1/2 gdzie λ i μ oznaczają stałe sprężystości Lamégo, a d gęstość, czyli masę właściwą^[1]. Prędkość fal P generalnie zwiększa się z głębokością od około 2 do 8 km/s w skorupie Ziemi aż do około 13 km/s na granicy z jądrem. W skorupie i górnym płaszczu Ziemi występują jednak warstwy z mniejszą prędkością fal (np. astenosfera).
  • fale poprzeczne (undae secondae, S, torsjonalne, skrętu) – drgania są prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fal, są około 1,6 razy wolniejsze od fal podłużnych, mogą przemieszczać się tylko w ciałach stałych (zobacz cień sejsmiczny). Prędkość fal S wyraża się wzorem: V_S=(μ/d)^1/2.^[1].
• fale powierzchniowe (undae longae, L) – rozchodzą się od epicentrum trzęsienia wzdłuż powierzchni Ziemi; ich amplituda maleje z głębokością. Prędkość tych fal zależy od ich długości. Są najbardziej katastrofalne w skutkach,
  • fale Rayleigha – powierzchniowa fala poprzeczna o polaryzacji pionowej, ruch cząstek odbywa się po elipsie ustawionej pionowo prostopadłej do kierunku biegu fali. Dla jednorodnej półprzestrzeni prędkość fali Rayleigha wynosi 0.91 V_S.^[1] W ośrodku uwarstwionym prędkość fal Rayleigha zależy od ich długości (patrz dyspersja fali).
  • fale Love’a – powierzchniowa fala poprzeczna o polaryzacji poziomej, ruch cząstek to drgania poziome, prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fal. Fale te nie istnieją dla jednorodnej półprzestrzeni, ośrodek musi składać się z warstw. Prędkość fal Love’a zależy od ich długości – dyspersja fali.
  • Swobodne oscylacje Ziemi – (stojąca fala Rayleigha lub Love’a). Powstają przy silnych trzęsieniach ziemi, gdy fale powierzchniowe obiegną Ziemię i interferują ze sobą, dając falę stojącą^[2].  Interferencja fal Rayleigha daje tzw. drgania sferoidalne, zaś interferencja fal Love’a daje drgania toroidalne. Okres podstawowego drgania sferoidalnego ₀S₂ wynosi ok. 54 minut, drgania ₀S₃ ok. 36 minut. Okres podstawowego drgania toroidalnego ₀T₂ wynosi ok. 44 minut ^[2].