Unde seismice

[GeoX]

Pentru ca am vazut ca nu toata lumea e foarte informata in ceea ce priveste undele seismice, aveti aici un material de sinteza (e in engleza, dar orisicum cred ca se poate intelege)

http://www.geo.mtu.edu/UPSeis/waves...k6qs3yTOJ61rVNeIWR4tbznNn-RAkQtcfXnvJB_fAqsiU

 

[real32]

Undele mecanice, din grupul carora fac parte si undele seismice, au aplicatii importante in cele mai diverse domenii:
- in seismologie, de la localizarea cutremurelor pana la studiul structurii interne a Pamantului
- in medicina, de la imagistica si masuratori Doppler pana la proceduri de fizioterapie, detartraje sau facoemulsificare
- in industrie, de la examinari nedistructive pana la curatarea cu ultrasunete
- de la tehnicile de ecolocatie bazate pe sonarul inventat de Langevin si Chilowsky, pana la maturarea si sterilizarea vinurilor din industria alimentara
- de la undele stationare care apar in cazul instrumentelor muzicale, pana la undele de soc din aviatie
- de la studierea structurii interne a Soarelui (si a altor stele) in cadrul asteroseismologiei (o ramura a astrofizicii), pana la indepartarea cainilor si a altor lighioane cu ajutorul ultrasunetelor.

Intr-un mediu solid (cum este in buna parte si Pamantul) se pot propaga (in principal) mai multe tipuri de unde:
- undele longitudinale (numite si unde P sau primare in seismologie), sunt unde de volum pentru care oscilatia mediului se produce in lungul directiei de propagare
- undele transversale (numite si unde S sau secundare), sunt tot unde de volum, dar in acest caz oscilatia mediului se produce perpedicular pe directia de propagare
-undele de suprafata, care pot fi de tip Rayleigh (suprafata mediului se misca cumva circular) si unde de tip Love (unde seismice superficiale polarizate orizontal, pentru care suprafata mediului prezinta miscari de forfecare perpendiculare pe directia de propagare).
Cand intalnesc o suprafata de separate dintre doua medii cu impedante acustice diferite, aceste unde mecanice se pot reflecta sau refracta, cu sau fara conversia tipului de unda. Acest fenomen deosebit de complicat, descris de ecuatiile Knott-Zoeppritz, va face destul de dificila intelegerea modului de propagare a undelor seismice.


Liviu Constantinescu, Mesaje ale Pamantului in descifrari actuale
http://danhconst.net/mesaje-ale-pama...html/cap6.html

 

[real32]

Undele longitudinale sunt acele unde mecanice pentru care oscilatia mediului de propagare se produce in lungul directiei de propagare. Acest tip de unde se poate propaga atat in medii solide cat si in fluide (lichide sau gaze).

Sa spunem catava lucruri despre viteza de propagare a undelor longitudinale, fara a include si demonstratiile (destul de simple) care pot fi regasite in majoritatea cursurilor de mecanica. In fluide, viteza acestor unde este:


unde K[SUB]ad[/SUB] = - V(?p/?V)[SUB]ad[/SUB] este modulul de compresiune adiabatica, iar ? este densitatea mediului. Orientativ, viteza sunetului in apa este de aproximativ 1500 m/s.

In cazul gazelor ideale, considerand ca procesul de propagare a sunetului este adiabatic, vom obtine pentru coeficientul K[SUB]ad[/SUB] = ?p, unde?este exponentul adiabatic, iar p este presiunea gazului respectiv, astfel incat viteza sunetului in gaze devine:



unde R = 8314 J/Kmol K este constanta gazelor perfecte, T este temperatura absoluta (exprimata in grade Kelvin), ? este masa molara (exprimata in kg/kmol), c[SUB]0[/SUB] este viteza sunetului in gazul respectiv la temperatura de 0 [SUP]0[/SUP]C, iar ? este temperatura in grade Celsius. Se poate observa ca viteza sunetului intr-un gaz ideal depinde numai de gazul respectiv (?, ?) si de temperatura (?). Viteza sunetului in aer, la temperatura de 0 [SUP]0[/SUP]C, este de 331,5 m/s.

In cazul mediilor de propagare solide, viteza de propagare a undelor longitudinale este unde E este modulul de elasticitate longitudinal (sau modulul lui Young), iar ? este densitatea mediului respectiv. Modulul de elasticitate E este definit in cadrul studiului materialelor, prin determinarea experimentala a alungirii relative a unei epruvete. Atunci cand o epruveta se alungeste, ea va suferi o contractie transversala care ii va micsora sectiunea. Pentru aceasta contractie se defineste coeficientul Poisson:

? = (?b/b[SUB]0[/SUB])/(?l/l[SUB]0[/SUB])

care este aproximativ 0,3 pentru metale.
In cazul undelor mecanice longitudinale (sunete, ultrasunete, infrasunete), care se propaga in medii solide considerate infinite nu se poate produce contractia transversala, motiv pentru care modulul de elasticitate E al mediului trebuie inlocuit (in formula vitezei) cu E' = E (1-?)/(1+?)(1-2?) = 1,35 E

Viteza undelor seismice longitudinale creste (in general) cu adancimea (pana la limita nucleului extern) si poate fi utilizata pentru studierea structurii interne a Pamantului.


Sursa: https://mobee.infp.ro/despre-cutremu...e-cutremurelor

Interesant este faptul ca daca in cazul gazelor avem o crestere a vitezei de propagare a undelor mecanice longitudinale (a sunetului), in cazul solidelor se produce o scadere a acesteia la cresterea temperaturii. Tomografia blocului subdus din Vrancea se bazeaza pe perturbatia (cresterea) vitezei de propagare a undelor seismice in acea regiune.

http://cyberdyn.geodin.ro/cyberdyn/c...hp?req=english

 

[real32]

Undele transversale sunt acele unde de volum pentru care oscilatia mediului este perpendiculara pe directia de propagare. Acest tip de unde implica existenta unor forte de forfecare, care nu au cum sa apara in lichide sau in gaze. Undele transversale se pot propaga doar in medii solide, viteza lor fiind data de relatia:



unde G este modulul de elasticitate transversal, iar ? este densitatea mediului.
Teoria elasticitatii stabileste intre modulul de elasticitate transversal si cel longitudinal relatia:

G = E/2(1+?) unde ? este coeficientul Poisson (aproximativ 0,3 pentru metale).

Rezulta (pentru un mediu elastic nemarginit) un raport intre vitezele undelor transversale si longitudinale de:



ceea ce ar trebui sa insemne o valoare de 0,52 - 0,59, in functie de coeficientul Poisson.

Interesant este faptul ca valoarea coeficientului Poisson pentru crusta oceanica este ceva mai mare decat cea a crustei continentale, ceea ce implica o valoare mai mica a raportului c[SUB]t[/SUB] / c[SUB]l[/SUB]
https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/95JB03446

 

[real32]

Structura interna a Pamantului si tranzitiile de faza au fost studiate pe baza determinarii vitezelor de propagare ale undelor seismice si a fenomenelor de reflexie sau refractie, o adevarata microscopie acustica la scara planetara:
- discontinuitatea Connrad dintre crusta superioara si cea inferioara
- discontinuitatea Moho (Mohorovicic) dintre crusta si manta, unde apare acel fenomen mai ciudat in care undele care se propaga prin partea superioara a mantei sosesc mai repede decat cele care se propaga prin crusta
- astenosfera este o zona cu viteze seismice mici, deoarece materia este partial topita si unde apar curentii de convectie care dirijeaza miscarile placilor tectonice - materia este plastica, curge (desigur in faza solida, pentru ca altfel nu s-ar putea propaga undele transversale, de forfecare).
- discontinuitatea Lehmann care apare pe la 200 de km adancime sub litosfera continentala, unde vitezele de propagare incep sa creasca
- discontinuitatea de 20 de grade,
- discontinuitatea Repetti dintre manta superioara si cea inferioara
- discontinuitatea Gutenberg dintre nucleul exterior si manta inferioara, pe la 2900 de km
- stratul D'' deasupra nucleului lichid
- discontinuitatea dintre nucleul lichid si cel solid pe la 5150 de km, descoperita de Inge Lehmann in 1936.


Sursa: https://www.e-education.psu.edu/eart...nt/l2_p23.html

Este destul de cunoscuta interpretarea data de Lehmann undei 5, care apare in zona de umbra a undelor longitudinale dintre 2 si 3, ca fiind o reflexie pe nucleul interior (solid) al Pamantului.

 

[real32]

Structura interna a Pamantului, cu un nucleu exterior lichid si un nucleu interior solid, face destul de complexa propagarea undelor seismice. Pentru undele P directe va exista o zona de umbra intre 104[SUP]0[/SUP] si 140[SUP]0[/SUP], iar pentru undele S directe zona de umbra va cuprinde orice regiune care trece de cele 104[SUP]0[/SUP].

Sursa: youtube.com IRIS Earthquake Science - Seismic Shadow Zones?Introduction to P & S wave shadow zones (educational)
https://www.youtube.com/watch?v=7eeqzRUg4DU

 

[real32]

Un fenomen mai putin cunoscut este conversia (transformarea) tipurilor de unde la incidenta oblica pe interfata de separare dintre doua medii cu impedante acustice diferite. Dupa cum am mai spus, fenomenul este descris de complicatele ecuatiil Knott-Zoeppritz, dar din fericire lucrurile devin ceva mai simple in anumite cazuri cum ar fi reflexia pe suprafata libera a unui solid (este si cazul undelor seismice), in care apar solutii particulare.

Sa consideram o unda incidenta longitudinala L care se propaga intr-un solid si se reflecta pe suprafata libera a acestuia. In aceasta situatie vom avea doi coeficienti de reflexie:
- R[SUB]L/L[/SUB] al undei longitudinale reflectata care provine din unda longitudinala incidenta
- R[SUB]T/L[/SUB] al undei transversale reflectate care provine din unda longitudinala incidenta




Desigur, in realitate fenomenul este ceva mai complex decat in teoria cazului simplificat, pentru ca in anumite situatii, la incidenta oblica apar si unde de suprafata (Rayleigh).