Hoe aardbevingen ontstaan en hoe hun magnitude wordt gemeten

Aardbevingen zijn een routineonderwerp voor zoekopdrachten wereldwijd, en de interesse piekt telkens wanneer een opmerkelijke trilling het nieuws haalt. Twee vragen duiken steeds op: wat veroorzaakt fysiek het trillen van de grond, en wat betekent het magnitudegetal dat daarna wordt gerapporteerd werkelijk? Beide antwoorden zijn afkomstig uit decennia van seismologie die door agentschappen zoals de U.S. Geological Survey (USGS) en onderzoeksconsortia zoals IRIS, de Incorporated Research Institutions for Seismology, zijn gedocumenteerd.

Wat veroorzaakt een aardbeving

Volgens de USGS wordt een aardbeving veroorzaakt door plotseling glijden langs een breuk. De aardkorst is verdeeld in grote tektonische platen die zich voortdurend, zij het langzaam, verplaatsen. Waar platen samenkomen, zorgt wrijving ervoor dat hun randen samenhangen, zelfs terwijl de platen blijven duwen. De USGS noemt de Pacifische en Noord-Amerikaanse platen van Californië als voorbeeld: zij glijden langs de San Andreasfout ongeveer vijf centimeter per jaar langs elkaar, een grens die zich meer dan 1.050 kilometer uitstrekt en meer dan 16 kilometer diep is.

Terwijl de randen van een breuk vastzitten, blijven de platen zich verplaatsen, wat de rots aan beide zijden buigt en onder spanning zet. Deze opgeslagen energie bouwt zich op tot zij uiteindelijk de wrijving overtreft die de breuk bij elkaar houdt. Wanneer de breuk "loskomt", veert de vastgezette rots in een plotselinge glijbeweging terug in een minder belaste positie, en de energie die was opgeslagen, straalt naar buiten in seismische golven, beschreven door de USGS als zich verspreidend "zoals rimpelingen op een vijver".

Niet elke breuk gedraagt zich op dezelfde manier in de loop der tijd. De USGS stelt vast dat zich in sommige gebieden breuken door nagenoeg voortdurende kruip voortbewegen, waarbij kleine hoeveelheden spanning in frequente kleine schokken worden vrijgegeven. Waar kruip niet constant is, kan spanning zich decennia of eeuwen opbouwen voordat deze ineens wordt vrijgegeven, wat een grotere aardbeving oplevert.

Hypocentrum, epicentrum en seismische golven

Het punt onder het oppervlak waar een aardbeving begint, wordt het hypocentrum of brandpunt genoemd; het punt op het oppervlak recht erboven is het epicentrum, volgens de USGS. Vanuit het hypocentrum reizen twee hoofdtypen golven naar buiten: P-golven, die rots comprimeren en uitrekken in de richting waarin zij reizen en eerst bij monitoringsstations aankomen, en S-golven, die de grond zijwaarts verplaatsen en na P-golven aankomen. De USGS legt uit dat de tijdkloof tussen de aankomst van deze twee golftypen op verschillende seismografische stations wetenschappers in staat stelt te berekenen hoe ver weg een aardbeving heeft plaatsgevonden.

Hoe magnitude vandaag wordt gemeten

Magnitude beschrijft de grootte van de aardbeving op zijn bron; een aardbeving heeft een enkele magnitudewaarde, volgens de USGS. Dit verschilt van intensiteit, die de ernst van schudding op een specifieke locatie meet en sterk kan variëren afhankelijk van de afstand tot het epicentrum, diepte en lokale grondcondities – IRIS vergelijkt magnitude met het wattage van een gloeilamp en intensiteit met de helderheid die op verschillende afstanden van die gloeilamp wordt gevoeld.

De schaal die het meest bekend is bij het publiek, de Richterschaal, werd in 1934 door seismoloog Charles F. Richter ontwikkeld, volgens de Michigan Technological University. Het berekende magnitude op basis van de amplitude van de grootste golf die op een specifiek seismometertype werd geregistreerd, gecorrigeerd voor de afstand tot de aardbeving. De USGS stelt dat deze benadering zeer grote aardbevingen niet nauwkeurig meet: sommige gebeurtenissen worden onderschat, anderen overschat.

Seismologen gebruiken nu vooral de momentmagnitudeschaal (Mw), die de USGS en Michigan Tech als voorkeur beschrijven omdat deze nauwkeurig werkt over het volledige bereik van aardbevingsgroottes en wereldwijd toepasbaar is. Momentmagnitude wordt afgeleid van een fysische grootheid genaamd seismisch moment, berekend als stijfheid van de rots vermenigvuldigd met het gebied van de breuk dat is verschoven vermenigvuldigd met de afstand die de breuk is verplaatst. Die momentwaarde, geschat uit seismogramgegevens en geologische metingen, wordt vervolgens omgezet in het magnitudegetal dat publiekelijk wordt gerapporteerd.

Waarom elk volledig getal zo belangrijk is

Magnitudeschalen zijn logaritmisch. De USGS en Michigan Tech stellen beide dat elke toename van één volledig getal overeenkomt met een tienvoudige toename in de door seismische instrumenten geregistreerde grondbeweging-amplitude, en ongeveer een 32-voudige toename in vrijgegeven energie. Michigan Tech geeft illustratieve energievergelijkingen: een aardbeving met magnitude 1 geeft energie vrij die ongeveer gelijk is aan 170 gram TNT, terwijl een aardbeving met magnitude 8 energie vrijgeeft die gelijk is aan ongeveer 6 miljoen ton TNT.

Magnitude versus intensiteit

Omdat magnitude een enkel getal is dat de op de bron vrijgegeven energie beschrijft, beschrijft het alleen niet hoe sterk een bepaalde stad of gebouw heeft geschud. De ernst van schudding op specifieke locaties wordt in plaats daarvan beschreven met behulp van intensiteitsschalen zoals de Gewijzigde Mercalli Intensiteitsschaal, die de USGS in Romeinse cijfers wordt uitgedrukt en afhangt van factoren zoals afstand tot het epicentrum, aardbevingsdiepte en lokale geologie.