Jak powstają trzęsienia ziemi i jak mierzy się ich magnitudę

Trzęsienia ziemi to zwykły temat wyszukiwania na całym świecie, a zainteresowanie rośnie za każdym razem, gdy znaczący wstrząs pojawia się w wiadomościach. Dwa pytania powtarzają się najczęściej: co fizycznie powoduje drżenie ziemi i co naprawdę oznacza liczba magnitude podawana później. Oba odpowiedzi pochodzą z dziesięcioleci sejsmologii udokumentowanej przez agencje takie jak Amerykańska Służba Geologiczna (USGS) i konsorcja badawcze takie jak IRIS — Zintegrowane Badawcze Instytuty Sejsmologii.

Co powoduje trzęsienie ziemi

Według USGS trzęsienie ziemi jest spowodowane nagłym poślizgiem wzdłuż uskoku. Skorupa ziemska podzielona jest na duże płyty tektoniczne, które stale, choć wolno, się poruszają. W miejscach, gdzie stykają się płyty, tarcie powoduje, że ich krawędzie przykleja się do siebie, nawet gdy płyty dalej się pchają. USGS podaje przykład płyt Pacyficznej i Północnoamerykańskiej Kalifornii: przecierają się względem siebie w tempie około dwóch cali rocznie wzdłuż uskoku San Andreas, granicy, która rozciąga się na ponad 650 mil długości i ponad 10 mil głębokości.

Podczas gdy krawędzie uskoku pozostają zablokowane, płyty nadal się poruszają, co powoduje zginanie i naprężenie skały po obu stronach. Ta zgromadzona energia rośnie, aż w końcu przekroczy tarcie trzymające uskok razem. Kiedy uskok się «odblokowuje», zastygła skała gwałtownie powraca do mniej naprężonego położenia w nagłym poślizgu, a energia, która została zgromadzona, rozprzestrzenia się na zewnątrz w postaci fal sejsmicznych, które USGS opisuje jako rozprzestrzeniające się «jak fale na stawie».

Nie każdy uskok zachowuje się w ten sam sposób w czasie. USGS zauważa, że w niektórych obszarach uskoki poruszają się poprzez prawie ciągły pełzanie, uwalniając małe ilości naprężenia w częstych niewielkich wstrząsach. W miejscach, gdzie pełzanie nie jest stałe, naprężenie może się gromadzić przez dziesięciolecia lub wieki przed uwolnieniem wszystkiego naraz, produkując większe trzęsienie ziemi.

Hipocentrum, epicentrum i fale sejsmiczne

Punkt poniżej powierzchni, w którym zaczyna się trzęsienie ziemi, nazywa się hipocentrum lub ogniskiem; punkt na powierzchni bezpośrednio nad nim to epicentrum, według USGS. Z hipocentrum wychodziły na zewnątrz dwa główne typy fal: fale P, które kompresują i rozciągają skały w kierunku, w którym się poruszają i docierają pierwsze do stacji monitorujących, oraz fale S, które poruszają ziemię boczną i docierają po falach P. USGS wyjaśnia, że odstęp czasowy między przyjściem tych dwóch typów fal na różne stacje sejsmograficzne pozwala naukowcom obliczyć, w jakiej odległości miało miejsce trzęsienie ziemi.

Jak dzisiaj mierzy się magnitudę

Magnitudę opisuje rozmiar trzęsienia ziemi w jego źródle; trzęsienie ziemi ma jedną wartość magnitude, według USGS. To różni się od intensywności, która mierzy nasilenie drgań w konkretnym miejscu i może się znacznie różnić w zależności od odległości od epicentrum, głębokości i lokalnych warunków geologicznych — IRIS porównuje magnitudę do mocy żarówki, a intensywność do jasności odczuwanej w różnych odległościach od tej żarówki.

Skala najbardziej znana opinii publicznej, skala Richtera, została opracowana przez sejsmologa Charlesa F. Richtera w 1934 roku, według Politechniki Michigan. Obliczała magnitudę z amplitudy największej fali zarejestrowanej na określonym typie sejsmometru, skorygowaną na odległość od trzęsienia ziemi. USGS stwierdza, że takie podejście nie dokładnie mierzy bardzo duże trzęsienia ziemi: niektóre zdarzenia są niedoszacowane, inne przeszacowane.

Sejsmolodzy teraz głównie używają skali magnitude momentu (Mw), którą USGS i Michigan Tech opisują jako preferowaną, ponieważ działa dokładnie w pełnym zakresie rozmiarów trzęsień ziemi i ma zastosowanie globalnie. Magnitudę momentu uzyskuje się z fizycznej wielkości zwanej momentem sejsmicznym, obliczonej jako sztywność skały pomnożona przez powierzchnię uskoku, który poślizgnął się pomnożona przez odległość, na którą uskok się przesunął. Ta wartość momentu, oszacowana na podstawie danych sejsmogramów i pomiarów geologicznych, jest następnie zamieniana na liczbę magnitude podawaną publicznie.

Dlaczego każda całkowita liczba jest tak ważna

Skale magnitude są logarytmiczne. Zarówno USGS, jak i Michigan Tech stwierdzają, że każdy wzrost o całą liczbę odpowiada dziesięciokrotnemu zwiększeniu amplitudy ruchu gruntu rejestrowanego przez instrumenty sejsmiczne i mniej więcej 32-krotnemu wzrostowi uwolnionej energii. Michigan Tech podaje ilustracyjne porównania energii: trzęsienie ziemi o magnitudzie 1 uwalnia energię mniej więcej równoważną 6 uncjom TNT, podczas gdy trzęsienie ziemi o magnitudzie 8 uwalnia energię równoważną około 6 milionom ton TNT.

Magnitudę w porównaniu z intensywnością

Ponieważ magnitudę to pojedyncza liczba opisująca energię uwolnioną w źródle, sama w sobie nie opisuje, jak silnie trzęsła się dana miasto lub budynek. Nasilenie drażeń w określonych lokalizacjach jest zamiast tego opisywane za pomocą skal intensywności, takich jak Zmodyfikowana Skala Intensywności Mercalliego, którą USGS wyraża w cyfrach rzymskich i zależy od czynników, takich jak odległość od epicentrum, głębokość trzęsienia ziemi i lokalna geologia.