Seismilised lained

Seismiline laine on igas suunas eemale leviv deformatsioonienergia kandja, mis tekib energia kiirel vabanemisel.

Seismilised lained levivad Maa sfäärides ja piki maapinda. Lained võivad tekkida looduslikult ja tehislikult. Loodusliku tekkega lained pärinevad maavärinate epitsentrist ja levivad sellest suure kiirusega eemale. Tehislikud lained on põhjustatud plahvatuse tagajärjel vabanevast seismilisest energiast.

Seismoloogia on geoloogia haru, mis uurib maavärinaid ja Maa sees levivaid seismilisi laineid. Laineid registreerib seismograaf, mis mõõdab maapinna võnkumisi ja salvestab neid. Tulemusena moodustub graafik ehk seismogramm, mis väljendab võnkumisamplituudi sõltuvust ajast. Seismogrammi abil saab määrata maavärina magnituudi. Seismilised lained registreeritakse ülemaailmse seismojaamade võrgustiku kaudu. Seega Jaapanis või Indoneesias esinevaid maavärinaid saab registreerida ka Eestis.

Seismoloogia abil tuvastati Maa sfäärid. Maa pealmise osa moodustab maakoor, mille all paikneb astenosfäär ja vahevöö. Vahevööle järgnevad välis- ja sisetuum.

Seismomeetria on teine geoloogia haru, mis uurib maakoore ülemisi sfääre kuni mõnekümne kilomeetri sügavuses. Selleks tekitatakse tehislikke laineid, mille plahvatusallika asukoht on täpselt teada. Laineid registreeritakse maapinnal geofoni abil ja salvestatakse seismogrammi näol. Edaspidi uuritakse murdunud laine ja peegeldunud lainete saabumisaegu.
Seismilisi laineid ja nende levikut ning füüsilisi omadusi uurivad geofüüsikud ja seismoloogid.

Lainete tüübid 
Seismilisi laineid on kahte tüüpi, nn keha- ja pinnalained. Kehalained, mis ulatuvad Maa sisesfääridesse, jaotatakse kaheks P (piki-), ja S-(risti-) laineteks. Pinnalained, mis saavad levida mööda maapinda, on jaotatud Raylegh' ja Love'i laine laineteks. Lainete levikukiirust Maa sisemuses ja piki selle pinda määravad kivimite keemilis-füüsikalised omadused: koostis, tihedus ning elastsusmoodulid (normaaelastsus-, nihke-, mahtelastsusmoodulid ja Poissoni tegur). Samuti mõjutavad lainete kiirust temperatuur ja rõhk.

Kehalained

P-lained 

P-laine (inglise primary) ehk seismiline pikilaine on seismiline laine, mille levikul toimub kehaosakeste siirded laine levikusuunaliselt. Pikilained leviviad tahketes, vedelates ja gaasilistes keskkondades. Näiteks on helilained õhus pikilained. Maa sisemuses levivad P-lained võivad tekkida maavärinate tagajärjel. Kui laine läbib keha, siis selle osakesed surutakse kokku ja hõrendatakse vaheldumisi.

P-laine levikukiirus varieerub oluliselt sõltuvalt keskkonna omadustest. Maakoores on levikukiirus alates 6 km/s ja see suureneb sügavusega. Maksimaalse kiiruse 14 km/s saavutavad pikilained Maa vahevöö ja välistuuma piiril (D’’ tase sügavusel ~3000 km)..

P-laine kiirus homogeenses anisotroopses keskkonnas on leitav võrrandist:

kus K on mahtelastsusmoodul, µ on nihkeelastsusmoodul, ρ on keskkonna tihedus ja λ on teine Lamé moodul.

Pikilained levivad kõigist S-lainetest kiiremini. Seega saabuvad need seismojaama esimesena.

S-lained 

S-laine (inglise secondary) ehk ristilaine on seismiline laine, mille levikul toimub kehaosakeste nihe risti laine levikusuunale. Seda tüüpi lainet juhivad vaid tahked keskkonnad. Tahked ained on reeglina jäigad (nihkemoodul µ = ∞). Vedelikel ja gaasidel puudub jäikus (nihkemoodul µ =0), mistõttu need ei juhi ristilaineid. Erinevalt pikilainetest ei levi ristilained Maa välistuumas, kuna see on vedelas olekus. Seismiline energia levib välistuumas P-lainete näol. Tekib niinimetatud varjutsoon S-lainete jaoks. Sise- ja välistuuma piiril pikilained murduvad ning ristilained saavad tekkida uuesti. Edaspidi levivad sisetuumas mõlemat tüüpi lainet. Sisetuumast väljudest muutuvad S-lained uuesti P-laineteks. S-lainete kiirust saab välja arvutada järgneva võrrandi abil:

 
Võrrandist järeldub, et levikukiirus sõltub keskkonna jäikusest ja selle tihedusest. 
Maakoores ristilained levivad kiirusega 3–4 km/s ja see kasvab koos sügavusega. Maksimaalse kiiruse 7 km/s saavutab laine sügavusel 3000 km, vahevöö ja välistuuma piirpinnal. Tahket sisetuuma läbib S-laine kiirusega 2,5–3,0 km/s. Ristilained levivad üldiselt aeglasemalt kui pikilained. Seega jõuab S-laine seismojaama teisena, pärast P-lainet.

Pinnalained 

 
Pinnalaineid on kahte tüüpi: Rayleigh’ ja Love'i. Need eksisteerivad vaid elastse keskkonna vabapinnal, st maapinnal ja mere põhjal. Pinnalainete amplituud on suurim keha pinnal ning väheneb eksponentsiaalselt sügavusega. Seda tüüpi lained levivad epitsentrist eemale kiirusega ~2–4 km/s mööda pinda. Pinnalainete levikukiirus sõltub laine sagedusest. Mida suurem on produtseeritud laine sagedus, seda väiksem on lainepikkus ja seda aeglasemalt laine levib.

Pinnalained on silmaga nähtavad (maapinna liikumine) ja neid tunnevad inimesed maavärina ajal. Aineosakeste liikumine on suurim just pinnalainete puhul, sellepärast põhjustavad need suurimat kahju.

Seismojaama jõuavad pinnalained viimasena, pärast P- ja S-laineid. Neil lainetel pole seismoloogias erilist tähtsust.

Rayleigh' lained 
Rayleigh’ laine on seismiline pinnalaine, mis levib ainult mööda vabapinda. See on kõige aeglasemalt leviv seismiline laine. Rayleigh’ laine tekib P- ja S- lainete vastastikmõjul maapinnaga. Seda tüüpi lained liiguvad kiirusega ~3 km/s. Need lained võivad teha mitu ringi Maa ümber, enne kui hajuvad. Kehas, mida läbib Rayleigh’ laine, liiguvad osakesed lainelevikusuunaga paralleelselt. Samal ajal alluvad aineosakesed ellipsoidaalsele liikumisele. Üldises mõttes sarnanevad Rayleigh’ lained vee lainetusega.

Love'i laine 
Love'i laine on seismiline pinnalaine, mis levib ainult mööda maapinda. Selle laine puhul liiguvad aineosakesed paralleelselt maapinnaga ja risti laine levikusuunaga. Maapinnal on Love'i laine amplituud maksimaalne, kuid sügavuse suunas kahaneb eksponentsiaalselt. Love' lained levivad aeglasemalt kui P- ja S- , aga kiiremini kui Rayleigh’ lained. Love'i laine kiirus on ~3 km/s, kuid sõltub produtseeritud laine sagedusest.

Nagu Rayleigh’, teeb Love'i laine mitu ringi Maa ümber enne täielikku hajumist. Maavärina puhul tekitavad Love'i lained suuri kahjustusi eriti epitsentri läheduses. Just seda tüüpi laineid tunnevad inimesed maavärina ajal.

Vaata ka
Maavärin
Richteri skaala
Maavärina magnituud
Seismomeeter

Viited

Välislingid
Maavärinad ja seismilised lained TÜ geoloogiamuuseum
Seismic Waves and Earth's Interior
BritannicaSeismic waves
What Is Seismology
Seismic waveAnimations
Virtual Earthquake

Seismoloogia