موجة زلزالية

الموجة الزلزالية هي موجة ميكانيكية من الطاقة الصوتية تنتقل عبر الأرض أو أي جرم سماوي آخر . قد تنتج عن زلزال (أو بشكل عام، هزة أرضية )، أو ثوران بركاني ، أو حركة الصهارة ، أو انهيار أرضي كبير ، أو انفجار ضخم من صنع الإنسان ينتج طاقة صوتية منخفضة التردد. يدرس علماء الزلازل الموجات الزلزالية ، ويسجلونها باستخدام أجهزة قياس الزلازل ، أو الميكروفونات المائية، أو مقاييس التسارع . وتختلف الموجات الزلزالية عن الضوضاء الزلزالية (الاهتزاز المحيط)، وهي اهتزاز مستمر منخفض السعة ينشأ من مصادر طبيعية وبشرية متنوعة.

تعتمد سرعة انتشار الموجة الزلزالية على كثافة ومرونة الوسط المحيط ، بالإضافة إلى نوع الموجة. وتميل السرعة إلى الزيادة مع العمق عبر قشرة الأرض ووشاحها ، لكنها تنخفض بشكل حاد عند الانتقال من الوشاح إلى اللب الخارجي للأرض . ^{[ 2 ]}

تُحدث الزلازل أنواعًا مختلفة من الموجات بسرعات متباينة. وعند تسجيلها بواسطة مرصد زلزالي، تساعد أوقات انتقالها المختلفة العلماء على تحديد مركز الزلزال . في الجيوفيزياء، يُستخدم انكسار أو انعكاس الموجات الزلزالية لدراسة البنية الداخلية للأرض . كما يقوم العلماء أحيانًا بتوليد وقياس الاهتزازات لدراسة البنية السطحية تحت سطح الأرض.

من بين الأنواع العديدة للموجات الزلزالية، يمكن التمييز بشكل عام بين الموجات الداخلية ، التي تنتقل عبر الأرض، والموجات السطحية ، التي تنتقل على سطح الأرض. ^{[ 3 ] : 48-50 [ 4 ] : ​​56-57}

توجد أنماط أخرى لانتشار الموجات غير تلك الموصوفة في هذه المقالة؛ على الرغم من أهميتها النسبية الضئيلة بالنسبة للموجات المحمولة جواً، إلا أنها مهمة في حالة علم الزلازل النجمية .

• تنتقل الموجات الجسدية عبر باطن الأرض.
• تنتقل الموجات السطحية عبر سطح الأرض. وتتلاشى هذه الموجات ببطء أكبر مع المسافة مقارنةً بالموجات الداخلية التي تنتقل في ثلاثة أبعاد.
• تكون حركة الجسيمات في الموجات السطحية أكبر من حركة الجسيمات في الموجات الداخلية، لذا تميل الموجات السطحية إلى إحداث المزيد من الضرر.

موجات الجسم

تنتقل الموجات الداخلية عبر باطن الأرض على مسارات تتحكم بها خصائص المادة من حيث الكثافة ومعامل المرونة (الصلابة). وتتغير الكثافة ومعامل المرونة تبعًا لدرجة الحرارة والتركيب والطور المادي. يشبه هذا التأثير انكسار موجات الضوء . ينتج عن نوعين من حركة الجسيمات نوعان من الموجات الداخلية: الموجات الأولية والموجات الثانوية . وقد أدرك هذا التمييز عالم الرياضيات الفرنسي سيميون دينيس بواسون عام 1830. ^{[ 5 ]}

الموجات الأولية

الموجات الأولية (موجات P) هي موجات ضغط طولية . تنتقل هذه الموجات بسرعة أكبر من الموجات الأخرى عبر الأرض لتصل إلى محطات رصد الزلازل أولاً، ومن هنا جاءت تسميتها "الأولية". يمكن لهذه الموجات أن تنتقل عبر أي نوع من المواد، بما في ذلك السوائل، وتنتقل بسرعة تفوق سرعة الموجات الثانوية (S) بنحو 1.7 مرة . في الهواء، تتخذ هذه الموجات شكل موجات صوتية، وبالتالي تنتقل بسرعة الصوت . تبلغ السرعات النموذجية 330  م/ث في الهواء، و1450  م/ث في الماء، وحوالي 5000  م/ث في الجرانيت .

الموجات الثانوية

الموجات الثانوية (موجات S) هي موجات قصّية مستعرضة . بعد وقوع الزلزال، تصل موجات S إلى محطات الرصد الزلزالي بعد موجات P الأسرع حركةً، وتُزيح الأرض عموديًا على اتجاه انتشارها. وبحسب اتجاه الانتشار، قد تتخذ الموجة خصائص سطحية مختلفة؛ فعلى سبيل المثال، في حالة موجات S المستقطبة أفقيًا، تتحرك الأرض بالتناوب إلى جانب ثم إلى الجانب الآخر. لا تنتقل موجات S إلا عبر المواد الصلبة، لأن الموائع (السوائل والغازات) لا تتحمل إجهادات القص . موجات S أبطأ من موجات P، وعادةً ما تكون سرعتها حوالي 60% من سرعة موجات P في أي مادة معينة. لا تستطيع موجات القصّ الانتقال عبر أي وسط سائل، ^{[ 6 ]} لذا فإن غياب موجات S في اللب الخارجي للأرض يشير إلى حالة سائلة.

موجات سعرية

تنتقل الموجات السطحية الزلزالية على طول سطح الأرض، ويمكن تصنيفها كنوع من الموجات السطحية الميكانيكية . تتضاءل سعة الموجات السطحية كلما ابتعدت عن السطح، وتنتشر ببطء أكبر من الموجات الزلزالية الداخلية (P و S). قد تصل سعة الموجات السطحية الناتجة عن الزلازل الكبيرة جدًا إلى عدة سنتيمترات، ويمكن رصدها عالميًا. ^{[ 7 ]}

موجات رايلي

موجات رايلي، وتُسمى أيضًا الموجات الأرضية، هي موجات سطحية تنتشر بحركات مشابهة لحركات الموجات على سطح الماء (مع ملاحظة أن حركة الجسيمات الزلزالية المصاحبة لها في الأعماق الضحلة تكون عادةً عكسية، وأن قوة الاستعادة في موجات رايلي وغيرها من الموجات الزلزالية مرنة وليست جاذبية كما هو الحال في موجات الماء). وقد تنبأ جون ويليام ستروت، اللورد رايلي ، بوجود هذه الموجات عام 1885. ^{[ 8 ]} وهي أبطأ من الموجات الجسمية، حيث تبلغ سرعتها حوالي 90% من سرعة موجات S في الأوساط المرنة المتجانسة النموذجية. في وسط طبقي (مثل القشرة الأرضية والوشاح العلوي )، تعتمد سرعة موجات رايلي على ترددها وطولها الموجي. انظر أيضًا موجات لامب .

موجات الحب

موجات لوف هي موجات قص مستقطبة أفقياً (موجات SH)، ولا توجد إلا في وجود وسط متعدد الطبقات. ^{[ 9 ]} سُميت نسبةً إلى أوغسطس إدوارد هوف لوف ، عالم الرياضيات البريطاني الذي وضع نموذجاً رياضياً لهذه الموجات عام 1911. ^{[ 10 ]} وعادةً ما تنتقل بسرعة أكبر قليلاً من موجات رايلي، حوالي 90% من سرعة موجة S.

ستونلي يلوح

موجة ستونلي هي نوع من الموجات الحدية (أو موجات السطح البيني) تنتشر على طول حدود فاصلة بين مادة صلبة وسائلة، أو في ظروف معينة، على طول حدود فاصلة بين مادتين صلبتين. تبلغ سعة موجات ستونلي أقصى قيمها عند الحد الفاصل بين الوسطين المتلامسين، وتتلاشى أُسّيًا كلما ابتعدنا عن هذا الحد. يمكن أيضًا توليد هذه الموجات على طول جدران بئر مملوءة بسائل ، ما يجعلها مصدرًا مهمًا للضوضاء المتماسكة في المقاطع الزلزالية الرأسية ، وتشكل المكون منخفض التردد للمصدر في التسجيل الصوتي . ^{[ 11 ]} وضع معادلة موجات ستونلي لأول مرة الدكتور روبرت ستونلي (1894-1976)، الأستاذ الفخري لعلم الزلازل في جامعة كامبريدج. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

الأوضاع العادية

تُعدّ التذبذبات الحرة للأرض موجات مستقرة ، ناتجة عن تداخل موجتين سطحيتين تسيران في اتجاهين متعاكسين. ينتج عن تداخل موجات رايلي تذبذب كروي (S)، بينما ينتج عن تداخل موجات لوف تذبذب حلقي (T) . تُحدد أنماط التذبذب بثلاثة أرقام، مثل _{n =} S + _{l +} ^m ، حيث l هو رقم الرتبة الزاوية (أو درجة التوافق الكروي ، انظر التوافقيات الكروية لمزيد من التفاصيل). الرقم m هو رقم الرتبة السمتية، ويتراوح بين 2l + 1 قيمة من -l إلى + l . الرقم n هو رقم الرتبة القطرية ، ويعني الموجة التي لها n نقطة عبور للصفر في نصف القطر. بالنسبة للأرض ذات التناظر الكروي، لا يعتمد زمن الدورة لقيم n و l المعطاة على m .

من أمثلة التذبذبات الكروية نمط "التنفس" ₀ S ₀ ، الذي يتضمن تمددًا وانكماشًا للأرض بأكملها، وله دورة زمنية تبلغ حوالي 20 دقيقة؛ ونمط "الرجبي" ₀ S ₂ ، الذي يتضمن تمددات على طول اتجاهين متناوبين، وله دورة زمنية تبلغ حوالي 54 دقيقة. أما النمط ₀ S ₁ فهو غير موجود لأنه يتطلب تغييرًا في مركز الثقل، وهو ما يستلزم وجود قوة خارجية. ^{[ 3 ]}

من بين الأنماط الحلقية الأساسية، يُمثل النمط ₀ T ₁ تغيرات في معدل دوران الأرض؛ ورغم حدوث ذلك، إلا أنه بطيء للغاية بحيث لا يُمكن استخدامه في علم الزلازل. أما النمط ₀ T ₂ فيصف التواء نصفي الكرة الأرضية الشمالي والجنوبي بالنسبة لبعضهما البعض؛ وتبلغ دورته حوالي 44 دقيقة. ^{[ 3 ]}

أُجريت أولى عمليات رصد التذبذبات الحرة للأرض خلال الزلزال الكبير الذي ضرب تشيلي عام 1960. وقد رُصدت حالياً دورات آلاف الأنماط الاهتزازية. تُستخدم هذه البيانات لتحديد البنى واسعة النطاق لباطن الأرض.

يُعتمد في تسمية الموجات الزلزالية عادةً على نوع الموجة ومسارها؛ ونظرًا للاحتمالات اللانهائية نظريًا لمسارات انتقالها وتعدد مجالات تطبيقها، فقد ظهرت عبر التاريخ مجموعة واسعة من التسميات، ولا يزال توحيدها - على سبيل المثال في قائمة الأطوار الزلزالية القياسية الصادرة عن الجمعية الدولية لعلم الزلازل والفيزياء الفلكية (IASPEI) - عمليةً جارية. ^{[ 14 ]} غالبًا ما يُرسم مسار الموجة بين البؤرة ونقطة الرصد على شكل مخطط شعاعي. ويُرمز لكل مسار بمجموعة من الأحرف التي تصف مساره وطوره عبر الأرض. وبشكل عام، يشير الحرف الكبير إلى موجة منقولة، بينما يشير الحرف الصغير إلى موجة منعكسة. ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]}

على سبيل المثال:

• موجة ScP هي موجة تبدأ بالانتقال نحو مركز الأرض كموجة S. وعند وصولها إلى اللب الخارجي، تنعكس الموجة كموجة P.
• مسار الموجة sPKIKP هو مسار موجي يبدأ بالانتقال نحو السطح كموجة S. عند السطح، ينعكس كموجة P. ثم تنتقل موجة P عبر اللب الخارجي، واللب الداخلي، واللب الخارجي مرة أخرى، والوشاح.

في حالة الزلازل المحلية أو القريبة، يُمكن استخدام الفرق في أوقات وصول الموجتين P و S لتحديد المسافة إلى مركز الزلزال. أما في حالة الزلازل التي وقعت على مسافات عالمية، فإن ثلاث محطات رصد أو أكثر موزعة جغرافيًا (تستخدم ساعة مشتركة ) تُسجل وصول الموجة P، مما يسمح بحساب وقت وموقع فريدين على سطح الأرض لوقوع الزلزال. عادةً، تُستخدم عشرات أو حتى مئات من وصولات الموجة P لحساب مركز الزلزال . يُعرف الخطأ الناتج عن حساب مركز الزلزال باسم "الخطأ المتبقي". عادةً ما تكون الأخطاء المتبقية 0.5 ثانية أو أقل للزلازل البعيدة، و0.1-0.2 ثانية للزلازل المحلية، مما يعني أن معظم وصولات الموجة P المُبلغ عنها تتطابق مع مركز الزلزال المحسوب بدقة. عادةً ما يبدأ برنامج تحديد الموقع بافتراض أن الزلزال وقع على عمق حوالي 33  كيلومترًا، ثم يُقلل الخطأ المتبقي عن طريق تعديل العمق. تحدث معظم الأحداث على أعماق أقل من حوالي 40  كم، لكن بعضها يحدث على عمق يصل إلى 700  كم.

إحدى الطرق السريعة لتحديد المسافة من موقع ما إلى بؤرة موجة زلزالية  على بُعد أقل من 200 كيلومتر هي حساب الفرق بين وقت وصول الموجة الأولية (P) والموجة الثانوية (S) بالثواني ، ثم ضرب الناتج في 8 كيلومترات في الثانية. أما المصفوفات الزلزالية الحديثة فتستخدم تقنيات  أكثر تعقيدًا لتحديد مواقع الزلازل .

على مسافات بعيدة، تكون الموجات الأولية (P) قد توغلت بالضرورة عميقًا في الوشاح، وربما انكسرت داخل اللب الخارجي للكوكب، قبل أن تعود إلى سطح الأرض حيث تقع محطات الرصد الزلزالي. تنتقل هذه الموجات بسرعة أكبر مما لو كانت تسير في خط مستقيم من مركز الزلزال. ويعود ذلك إلى الزيادة الكبيرة في سرعة الموجات داخل الكوكب، وهو ما يُعرف بمبدأ هيغنز . تزداد كثافة الكوكب مع العمق، مما يُبطئ الموجات، لكن معامل مرونة الصخور يزداد بشكل أكبر، لذا فإن العمق يعني سرعة أكبر. وبالتالي، قد يستغرق المسار الأطول وقتًا أقصر.

يجب حساب زمن انتقال الموجات الزلزالية بدقة متناهية لتحديد مركز الزلزال بدقة. ونظرًا لأن الموجات الأولية (P) تنتقل بسرعة عدة كيلومترات في الثانية، فإن أي خطأ في حساب زمن الانتقال ولو بنصف ثانية قد يؤدي إلى خطأ في تحديد المسافة يصل إلى عدة كيلومترات. عمليًا، تُستخدم بيانات وصول الموجات الأولية من محطات متعددة، ما يؤدي إلى إلغاء الأخطاء، وبالتالي يكون مركز الزلزال المحسوب دقيقًا إلى حد كبير، في حدود 10-50  كيلومترًا تقريبًا حول العالم. ويمكن لمصفوفات كثيفة من أجهزة الاستشعار القريبة، كتلك الموجودة في كاليفورنيا، أن توفر دقة تصل إلى كيلومتر واحد تقريبًا، ويمكن تحقيق دقة أعلى بكثير عند قياس التوقيت مباشرةً عن طريق الارتباط المتبادل لأشكال موجات السيزموجرام .

• معادلة آدمز-ويليامسون
• علم الزلازل الشمسية
• علم الزلازل الانعكاسي

• EDT: موقع إلكتروني باستخدام MATLAB لرصد انتشار الموجات الزلزالية