סולם סייסמי

סולם סייסמי הוא יחידת מידה המשמשת לחישוב גודלן ועצימותן של רעידות אדמה. הסולמות נחלקים לסולמות של גודל (magnitude) – באמצעותם מחושבת האנרגיה שהשתחררה ברעידת האדמה (שייכים לסולמות מיקרוסייסמיים), ולסולמות של עצימות (לאחרונה שגור יותר המונח "עוצמה סייסמית"), וחומרת פגיעה (intensity, severity) – באמצעותם נאמדת השפעת רעידת האדמה על פני השטח (שייכים לסולמות מאקרוסייסמיים)סולמות מיקרוסייסמיים מתבססים על מדידה ממכשירי מדידה ואילו סולמות מאקרוסייסמיים מתבססים על הערכה שמתבצעת על בסיס תיאורים איכותניים וכמותיים למחצה..

שמאל|ממוזער|350px|מפת רעידת האדמה ורעידות המשנה בסנדאי, 2011
גודל ועצימות
שמאל|ממוזער|250px|סייסמוגרמה מרעידת האדמה בסן פרנסיסקו, 1906
רעידת אדמה מתוארת גם במונחי גודל וגם במונחי עצימות וחומרת הפגיעה. רעידות אדמה גדולות הן לא בהכרח חמורות במיוחד בפגיעתן, ורעידות שעצימותן גבוהה הן לא בהכרח גדולות במיוחד. השוני במידה נגרם ממגוון של מרכיבים: עומק מוקד רעידת האדמה, מרחק המוקד מאזורים מיושבים, תנאי המסלע והקרקע, צפיפות האוכלוסייה, איכות הבנייה ואחרים. כך, שתי רעידות בגודל מסוים עשויות להתבטא בעצימות, בנזק ובמספר נפגעים שונה, ושתי רעידות שהתבטאו בחומרת פגיעה מסוימת, בנזק ובמספר נפגעים דומה – עשויות להיות בעלות גודל שונה.

את ההבדל בין גודל הרעידה לבין עצימותה הסביר צ'ארלס ריכטר – שפיתח סולם סייסמי מבוסס גודל הקרוי על שמו, סולם ריכטר – בריאיון שהתקיים ב-1980:

עצימות
שמאל|ממוזער|250px|נזקים בקרייסטצ'רץ', 2011
העצימות (עוצמה סייסמית) – חומרת הפגיעה של רעידת אדמה – מיוצגת באמצעות ספרות רומיות (לדוגמה: I, II, III, IV, V), המציינות תוצאים שלה על פני השטח. תוצאים אלה נמדדים בהשפעתם על תחושתם של בני אדם ובעלי חיים ובהשפעתם הישירה על מבנים מעשה ידי אדם – דוגמת בניינים, או מבנים טבעיים – דוגמת גופי מים והרים. אומדן העצימות מבטא את ההבדלים בין רעידת אדמה הנמדדת במכשירים בלבד לבין זו המורגשת על ידי בני אדם, וכן דרגות שונות של נזק הנגרם לחפצים ולמבנים.

אומדן העצימות נעשה באמצעות שאלונים המפרטים תחושות ותצפיות של אנשים ובאמצעות עדויות מדעיות מהשטח המתעדות שינויים במפלס מים בבארות, סדקים בקרקע ונזק לחפצים ולמבנים. כיום מקובל לכנות בעברית את העצימות כ"עוצמה סייסמית".

גודל רעידה
באותו ריאיון סיפר ריכטר, אסטרונום חובב, כי טבע את המונח "מגניטודה" – המשמש להגדרת בהירות נראית אורם של כוכבים – כמדד להיקפה של רעידת אדמה. ריכטר סבר כי התנודה המרבית הנרשמת בתחנת מדידה עשויה לשמש להגדרת גודל מסוים, באמצעותו ניתן לערוך השוואה בין גודלן של רעידות אדמה.

הגודל של רעידת אדמה מיוצג באמצעות ספרות הודיות-ערביות (9 ,8 ,7 ,6 ,5 ,4 ,3 ,2 ,1 ,0), המציינות את הגודל במדידה לא ישירה של האנרגיה הסייסמית שהשתחררה בה.

סולמות סייסמיים
הבנת התהליכים המתרחשים ברעידת אדמה והצורך בהערכת חומרתן התפתחו במקביל להתפתחות המחקר הסייסמולוגי בכללותו. במהלכו פותחו כמה סולמות, המבוססים הן על גודל רעידות האדמה והן על חומרת הפגיעה שלהן.

סולמות עצימות (נקראים גם סולמות עוצמה סייסמית או סולמות מאקרוסייסמיים)
שמאל|ממוזער|250px|רעידת האדמה בקלבריה, הדפס מ-1783
סולמות ראשונים
המיון הראשון של עצימות רעידות אדמה נערך בשנות ה-80 של המאה ה-18 על ידי הרופא האיטלקי דומניקו פיניאטרו (Domenico Pignataro, 1735–1802), שסקר מידע מ-1,181 רעידות אדמה וסיווגן לחלשות, מתונות, חזקות וחזקות מאוד. את רעידות האדמה שהתרחשו בקלבריה בדרום איטליה בשנת 1783 וגרמו למותם של עשרות בני אדם סיווג פיניאטרו כ"אלימות" – הדרגה החמישית והגבוהה ביותר. סולם זה היה גס למדי, ולא נעשה בו שימוש מדעי. באותה עת יצר האדריכל פומפיי סקיאנטרלי (Pompey Schiantarelli) – שסייע בשיקום הערים שנפגעו – את המפה הראשונה לנזקי רעידת אדמה, בה השתמש בסימון כוכבים לציון חומרת הנזק שנגרמה ליישובים שונים.

ב-23 בפברואר 1828 אירעה בהולנד רעידת אדמה, בעקבותיה יצר המתמטיקאי הגרמני פ' איגן (P.N.C Egen, 1793–1849) סולם עצימות בן שש דרגות, שלווה במפה בה נצבעו השטחים שנפגעו ברעש על פי חומרת הפגיעה. בסולם של איגן נעשה שימוש מדעי במשך כמה עשורים, במקביל להתפתחותם של סולמות נוספים.

סולם רוסי-פורל
היסוד לסולם עצימות סייסמי מודרני הונח בשנת 1873 על ידי הסייסמולוג האיטלקי מיקלה דה רוסי (Michele Stefano Conte de Rossi, 1834–1889), שפותו בעזרתו של הלימנולוג השווייצרי פרנסואה-אלפונס פורל (François-Alphonse Forel, 1841–1912) והוצג בשנת 1886. סולם זה נקרא סולם רוסי-פורל והוא מורכב מ-10 דרגות עצימות.

סולמות יפניים ופיליפיניים
שמאל|ממוזער|250px|מוקד רעידת האדמה בקובה, 1995

בשנת 1884 הוחל בפיתוחו של סולם עצימות ביפן. בתחילת קיומו של סולם זה נעשה שימוש ב-4 יחידות שינדוֹ (מיפנית: 震度, דרגת רעד) – 微 לקלושה, 弱 לחלשה, 強 לחזקה ו-烈 לאלימה. סולם שינדו המשיך להתפתח, ובשנת 1898 הפך סולם העצימות לסולם מספרי מדרגה 0 עד דרגה 7. בשנת 1908 הוגדר פירוט לדרגות הרעד השונות ובשנת 1995, לאחר רעידת האדמה בעיר קובה, חולקו דרגות 5 ו-6 לשתי דרגות משנה.

בשנת 1894 פותח סולם אומורי על ידי הסייסמולוג פוסקיצ'י אומורי (大森房吉, 1868–1923), שכיהן כפרופסור באוניברסיטת טוקיו וניסח את חוק אומורי העוסק בתדירותן של רעידות עוקבות. סולם העצימות שלו היה בעל 7 דרגות, והתבסס על התאוצה המרבית של הקרקע ועל התנהגותם של מבנים יפניים אופייניים. ב-"Historical perspectives on East Asian Science, Technology, and medicine" מצוין, כי לאחר ביקור באיטליה התאים אומורי את סולם רוסי-פורל למפרטים יפניים, וציין את שרידותם של בניינים יפניים לעומת שבירותם של בניינים זרים בהקשר סייסמולוגי. הסולם פורסם בשנת 1900.

בשנת 1996 פותח סולם עצימות יפני (JMA) על ידי הסוכנות המטאורולוגית של יפן. סולם זה – המבוסס על סולם אומורי – משמש ביפן מאז פיתוחו וגם בטאיוואן.

בשנת 1996, לאחר רעידת האדמה באי לוזון, הפיליפינים, שהתרחשה בשנת 1990 והייתה במגניטודה 7.7 בסולם המומנט, ייסד המכון הפיליפיני לוולקנולוגיה וסייסמולוגיה  סולם עוצמות סייסמיות בן 10 דרגות, שמותאם יותר למציאות הבנייה בפיליפינים. ההתאמה לסולמות המערביים היא, ש-דרגה 8 בסולם הפיליפיני כוללת בתוכה תיאורי הרס המאפיינים את דרגות VIII ו-IX בסולמות המערביים, דרגה 9 את תאורי דרגות X ו-XI ודרגה 10 את תאורי דרגה XII בסולמות המערביים. סולם זה החליף את סולם רוסי-פורל שהיה עד אז בשימוש בפיליפינים.

סולם מרקאלי
בשנת 1902 עודכן סולם רוסי-פורל על ידי הוולקנולוג ג'וזפה מרקאלי (Giuseppe Mercalli, 1850–1914) ונקרא אז סולם מרקאלי. גם סולם זה עבר כמה שינויים:
עוד באותה שנה הרחיב אותו הפיזיקאי האיטלקי אדולפו קנקני (Adolfo Cancani, 1856–1904) ל-12 דרגות
בשנת 1904 הוגדר הסולם מחדש על ידי הגאופיזיקאי הגרמני אוגוסט היינריך זיברג ונודע בשם (סולם מרקאלי-קנקני-זיברג (MCS)
בשנת 1931 עבר הסולם שינויים נוספים על ידי הבריטים הארי ווד ופרנק ניומן ופורסם בשם סולם מרקאלי-ווד-ניומן (MWN)
בשנת 1956 ערך בו צ'ארלס ריכטר שינויים נוספים והוא ידוע כיום בשם סולם מרקאלי המותאם (MM)
סולם מרקאלי המותאם (MM) משמש בעיקר בארצות הברית ובהונג קונג.

סולם MSK
שמאל|ממוזער|250px|נזקים בעקבות רעידת האדמה בסצ'ואן, 2008
שמו של סולם מדבדב-ספונהאוור-קרניק (MSK) – הנקרא גם סולם MSK-64Stucchi, M., 1993. Working Programme on Macroseismic Data and Procedures Paper Submited to the European Seismological Commission. Engineer Seism, p.4 – מורכב מראשי התבות של שמות מפתחיו: סרגיי מדבדב מברית המועצות, וילהלם ספונהאוור מגרמניה המזרחית וויט קרניק מצ'כוסלובקיה. סולם זה פותח בשנת 1964 על יסוד סולם מרקאלי המותאם וסולם שפיתח מדבדב בשנת 1953 שנקרא על שמו, המוכר גם כסולם GEOFIAN. סולם MSK נבנה במיוחד לשימוש במדינות אירופה, מכיוון שתיאור המבנים ואיכותם בסולם מרקאלי תאמו לבנייה האמריקאית ולא למבנים הסטנדרטיים האופייניים לאירופה. סולם MSK משמש בישראל, בהודו, ברוסיה ובחבר המדינות. בשנות ה-70 של המאה ה-20 פותחו 2 גרסאות משופרות שלו שנקראו MSK-76 ו-MSK-78Tomazevitc, M., 1999. Earthquake-Resistant Design of Masonry Buildings. Imperial College Press London,p.12.

סולם ליידו (CSIS)
ב-1980 פותח בסין סולם ליידו (הנקרא גם סולם CSIS), המבוסס על דרגות לֶיידוּ (בסינית: 烈度 ובפין-יין: lièdù – דרגות אלימוּת). תקופה קצרה לפני רעידת האדמה בסצ'ואן עודכן הסולם והפך לתקן סטנדרטי. הסולם מורכב מתחושה סובייקטיבית של בני אדם, דרגות נזק שונות ותנועה אופקית של הקרקע.

סולם EMS
בשנת 1988 החליטה הוועדה הסייסמולוגית האירופית (ESC) לבחון ולעדכן את סולם MSK. בשנת 1992, לאחר ארבע שנים של בחינה ועדכונים, הונח היסוד להרכבתו של סולם מקרוסייסמי אירופי (EMS). באספת הוועדה ב-1996 הוחלט על אימוץ הסולם החדש, וב-1998 פורסם הסולם והוחל ביישומו במדינות החברות בוועדה. סולם זה – המורכב מ-12 דרגות – משמש סייסמולוגים ומהנדסים כאחד ומאפשר שיתוף פעולה ביניהם. סולם EMS משמש בעיקר באירופה, אך גם במקומות נוספים.

השוואה בין סולמות העצימות
 דרגה רוסי-פורל JMA* מרקאלי מותאם MSK ליידו (CSIS)* EMS 0 – לא מורגשת – – – – I מיקרוסייסמית מורגשת מעט מכשירית לא מורגשת לא מורגשת לא מורגשת II קלושה במיוחד מורגשת קלושה מורגשת בקושי מורגשת בקושי מורגשת בקושי III קלושה מאוד מורגשת בהרחבה קלה חלשה מורגשת מעט חלשה IV קלושה מורגשת ומפחידה בינונית מורגשת בהרחבה מורגשת מורגשת V מתונה נמוכה – גורמת לבריחה;גבוהה – משתקת חזקה למדי חזקה למדי מורגשת בהרחבה חזקה VI חזקה למדי נמוכה – קשה לעמוד;גבוהה – מפילה חזקה חזקה קשה לעמוד נזקים קלים VII חזקה מדרגה זו ומעלה – מפילה ומרעידה חזקה מאוד חזקה מאוד מפחידה ומבריחה נזקים VIII חזקה מאוד – הרסנית נזקים קשה ללכת נזקים כבדים IX חזקה במיוחד – מחריבה הרסנית מפילה אנשים בתנועה הרסנית X קיצונית – נוראה מחריבה מפילה ומשליכה הרסנית מאוד XI – – נוראה ביותר הרת אסון הרס נרחב מחריבה XII – – הרת אסון הרת אסון כבד שינוי דרסטי בנוף מחריבה לגמרי

(*) – מבוסס על תחושות של אנשים

סולמות גודל
סולמות גודל שונים פותחו על מנת לחשב את גודלן המוחלט של רעידות אדמה – גודל שיהווה מדד בינלאומי ויאפשר השוואה מתמטית בין רעשים שונים בעולם.

סולמות מקומיים
סולם ריכטר
שמאל|ממוזער|100px|צ'ארלס ריכטר

בשנת 1935 פיתח צ'ארלס ריכטר את סולם הגודל הראשון בעולם – סולם ריכטר – בשיתוף עם בֶּנוֹ גוטנברג (Beno Gutenberg, 1889–1960), שניהם מהמכון הטכנולוגי של קליפורניה. הסולם מבוסס על עשר דרגות בסקאלה לוגריתמית, ובו רעידת אדמה בדרגה מסוימת גדולה פי עשרה מרעידת אדמה בדרגה אחת פחות. ההבדלים בכמות האנרגיה המשתחררת ברעידת האדמה גדולים עוד יותר: גם אלה נמדדים בסקאלה לוגריתמית, לפיה האנרגיה המשתחררת בדרגה מסוימת גדולה פי 30–32 מזו המשתחררת ברעידת אדמה בדרגה אחת פחות. מבחינה תאורטית עשויות להתרחש רעידות אדמה גדולות מדרגה עשר בסולם זה, אך טרם נרשמו כאלה.

סולם ריכטר מבוסס על מדידות מקומיות עד למרחק של כמה מאות קילומטרים, ורק לעיתים נדירות משמש סייסמולוגים להערכת גודלה של רעידת אדמה. מפתחיו ביססו אותו על המשרעת המקסימלית של סייסמוגרמה, המבוססת על סייסמוגרף מסוג W-A שכבר כמעט ולא נעשה בו שימוש כיום. ערכיו מחושבים על פי שימוש במיכשור מודרני, תוך ביצוע תיקונים מתאימים. הסולם משמש כיום לחישוב גודל רעידה מקומית, ומסומן באותיות ML (L – local, מקומי).

סולם גודל יפני
מאחר שביפן מתרחשות רעידות אדמה רבות, פיתחה הסוכנות המטאורולוגית של יפן סולם גודל יפני – סולם חשיבות מקומי. הסולם משמש להערכת הגודל של רעידות האדמה המקומיות, ומסומן כ-MJMA.

מדדים נוספים
שמאל|ממוזער|160px|גלים סייסמיים
מאחר שסולם ריכטר היה מוגבל לרעידות אדמה קטנות וקרובות יחסית לפני הקרקע, נחוץ היה להרחיב את הערכת הגודל לרעידות אדמה גדולות ועמוקות יותר. מסיבה זו נערך רישום וחישוב גודלם של הגלים הסייסמיים השונים הפעילים בעת רעידת האדמה ומשך פעילותם. שילוב של סולמות אלה מהווה מדד טוב לגודלה של רעידת האדמה.

סולם גלי גוף
סולם גלי גוף מודד את גודלם של גלי P – גלי גוף ראשוניים – ומספק הערכה ראשונית של עוצמת רעידת האדמה מאחר שגלים אלה הם הראשונים להגיע אל פני השטח. סולם זה מתאים במיוחד לרעידות אדמה עמוקות מוקד, והעוצמה של גלי הגוף נרשמת כ-Mb.

סולם גלי שטח
סולם גלי שטח מודד את גודלם של גלי שטח מסוג ריילי – הנעים על פני השטח וגורמים לעיקר הנזק והנפגעים. השימוש בסולם גלי השטח נעשה במטרה לשפר את המידע המתאר את רעידת האדמה. סולם זה מתאים לרעידות אדמה מרוחקות, הנמדדות במשך כ-20 שניות. הגודל של גלי השטח נרשמת כ-Ms.

סולם משך הגודל
סולם משך הגודל פותח על יסוד ההשערה, כי מדידת משך הזמן בו פועלים גלים סייסמיים מהווה מדד לגודלה של רעידת האדמה. במקרה זה נמדדת דעיכת משרעת הרעידה לאורך זמן. בסולם זה משתמשים במקרים בהם קיימת מגבלת טווח במיכשור אנלוגי, שאינה מאפשרת למדוד את שיאי המשרעת. הסולם מתבסס על משך פעולתם של גלי שטח, ונרשם כ-MD.

סולם מגניטודה לפי מומנט

סולמות הגודל השונים התגלו כמוגבלים ביותר ונוצר צורך ליצור סולם גודל מאוחד המתאים לרעידות אדמה בכל הגדלים והעומקים. סולם מאוחד כזה – סולם מגניטודה לפי מומנט או סולם MMS – פותח על ידי הסייסמולוגים תומאס הנקס והירו קאנאמורי בשנת 1979. הסולם מאפשר דיוק רב יותר בחישוב ובהשוואת גודלן של רעידות אדמה – בעיקר גדולות, ומתאים לרעשים בכל גודל ובכל עומק. בחישוב הסולם נעשה שימוש לא רק במשרעת המרבית של הגלים הסייסמיים, אלא בכל המידע המופק מהם.

סולם מגניטודה לפי מומנט מהווה המרה של המומנט הסייסמי לקנה מידה לוגריתמי, בדומה לסולם ריכטר. אף כי בתקשורת נהוג לדווח על רעידות אדמה לא מקומיות במונחים של סולם ריכטר, רעידות אדמה אלה נמדדות בסולם מגניטודה לפי מומנט. הסולם מורכב מעשר דרגות, והוא מסומן כ-MW.

השוואה בין סולמות הגודל 
שמאל|ממוזער|250px|השוואת סולמות גודל
באיור ניתן להבחין בשני הבדלים בין הסולמות:
מגבלותיו של סולם גלי השטח מתבטאות בסטייה מהקו הכללי ברעידות אדמה קטנות.
לכל הסולמות – פרט לסולם מגניטודה לפי מומנט – נקודת רוויה ברעידות אדמה גדולות. רוויה זו נובעת מכך שאורכי הגל של הגלים הסייסמיים אינם משתנים גם ברעידות גדולות, בהן גדלים אורך מישור ההעתק, המומנט הסייסמי והאנרגיה המשתררת ברעש.

בטבלה מוצגת השוואה נוספת בין סולמות הגודל השונים:
 סולם טווח גדלים טווח מרחק/זווית הערות ריכטר (ML) 2–6 0–400 ק"מ – גלי גוף (Mb) 4–7 16–100 מעלות רעידות אדמה עמוקות מוקד גלי שטח (Ms) 5–8 20–180 מעלות – משך הגודל (MD) עד 4 0–400 ק"מ – מגניטודה לפי מומנט (MW) מ-3.5 הכל –

ראו גם
עוצמה סייסמית
גאולוגיה - מונחים
טקטוניקת הלוחות
סייסמולוגיה
אזור בניוף
אסון טבע

לקריאה נוספת

Encyclopedia of Geology, Elsevier Academic Press, First edition 2005, 

קישורים חיצוניים
History of Early Isoseismal Maps
שאלות ותשובות בנושא רעידות אדמה באתר המכון הגיאופיסי לישראל.
עמוס סלמון., 2011. הצעה לאימוץ סולם העוצמה הסייסמית האירופאי 98 -EMS ועדכון שאלון הדיווח בישראל. המכון הגיאולוגי

הערות שוליים

*
קטגוריה:רעידת אדמה
קטגוריה:מחקר מאקרוסייסמי