Prečo sa občas zem trasie?

14.07.2007 09:00
Zemetrasenie v Taliansku
ilustračné foto Autor:

"Prečo sa občas zem trasie?" Neodborníkovi sa to takto môže zdať. V skutočnosti sa povrch Zeme trasie neustále. Ako to vieme? Predstavme si rám, ktorý je pevne pripevnený ku skale na povrchu Zeme. K rámu je voľne pripevnené závažie. Ak sa skala nehýbe (neuvažujeme pohyb celej Zeme), závažie je v pokoji aj vzhľadom na skalu aj vzhľadom na rám. Ak sa skala pohne, závažie zostáva na svojom mieste (princíp zotrvačnosti). To však znamená, že rám sa pohybuje vzhľadom na závažie alebo závažie vzhľadom na rám. Ak tento vzájomný (relatívny) pohyb zaznamenáme, získame záznam pohybu povrchu Zeme. Takto možno zjednodušene chápať princíp činnosti seizmografu, prístroja, ktorý zaznamenáva pohyby povrchu Zeme. Samozrejme, moderné seizmografy sú oveľa zložitejšie prístroje. Dokážu zaznamenať pohyb povrchu Zeme tak citlivo, ako si to človek na základe zmyslového vnímania nedokáže predstaviť.

Seizmografy sú zvyčajne umiestnené na seizmických staniciach. Aby seizmograf zaznamenával aj tie najslabšie alebo najvzdialenejšie zemetrasenia, seizmická stanica musí byť na takom mieste, kde sa povrch Zeme trasie čo najmenej (ak práve nie je zemetrasenie).

Videozáznam z prednášky

Autor: T-Com – www.detskauniverzita.sk

Kmitanie a šírenie vĺn

Aby sme si vysvetlili, čo sa vlastne vnútri Zeme deje, musíme si najprv objasniť niečo z fyziky. Predstavme si voľne zavesenú oceľovú guľku na ráme. Ak práve nie je zemetrasenie, guľka je v pokoji. Ak guľku prstom na chvíľku vychýlime, začne sa pohybovať. Hovoríme, že guľka kmitá okolo rovnovážnej polohy, pretože sme ju z tejto polohy vychýlili krátkym pôsobením sily. Teraz si predstavme rad guliek zavesených na ráme a pospájaných ľahkými pružinkami. Vychýľme na chvíľku prvú guľku vľavo. (Obr.1). Guľka začne kmitať. Keďže je však pružinkou spojená so susednou guľkou, prenesie sa kmitavý pohyb aj na susednú guľku. Postupne (zľava doprava) začnú kmitať aj ďalšie guľky. Ak si všímame len jednu (ktorúkoľvek) guľku, hovoríme, že kmitá. Ak sa pozeráme na všetky, hovoríme, že sa radom guliek šíri vlna, ktorá prenáša kmitavý pohyb ľavej guľky na ostatné. Teraz si predstavme, že prvú guľku nevychýlime doľava, ale pritiahneme ju k sebe. Guľka začne kmitať kolmo na rad guliek a tento kmitavý pohyb sa prenáša postupne na ďalšie guľky. V čom je rozdiel? Aj v jednom, aj v druhom prípade sa šírivlna zľava doprava. V prvom prípade kmitajú guľky v smere šírenia vlny, v druhom kolmo na smer šírenia vlny. V prvom prípade sa radom guliek šíri pozdĺžna vlna, v druhom priečna vlna.

Správanie sa radu oceľových guliek pospájaných pružinkami je veľmi zjednodušeným modelom kmitania a šírenia vĺn vnútri Zeme. Rovnako môžeme povedať, že je to príklad pružného (elastického) správania sa vnútra Zeme: ak nejaká krátko pôsobiaca sila vychýli hmotnú časticu z jej rovnovážnej polohy, častica začne kmitať a jej kmitavý pohyb sa prenáša na susedné častice – začne sa šíriť elastická (seizmická) vlna.

Čo všetko spôsobuje trasenie zeme

Môžeme si teda uvedomiť dôležitú vec: prechod auta, vlaku, dopad ťažkého predmetu, výbuch, pohyb lietadla, pohyb vody v rieke, príboj morských vĺn, činnosť mechanických strojov, pôsobenie vetra na stromy a budovy, pohyb magmy vnútri sopky, zmeny tlaku vzduchu a iné procesy spôsobujú na danom mieste kmitavý pohyb, ktorý sa šíri do okolia ako seizmická vlna. Všetky také vlny dokážu bez problémov zaznamenať moderné citlivé seizmografy. Ak by teda v celej Zemi nebolo počas dňa ani jediné zemetrasenie, aj tak by seizmograf zaznamenával neustále slabé trasenie.

Stavba Zeme

Sústreďme sa teraz na zemetrasenia. Naša planéta sa skladá z tuhého jadierka, kvapalného jadra, plášťa a kôry. Takto sa na vnútro Zeme môžeme pozerať podľa toho, z akých látok sú jej časti zložené. Ak však chceme porozumieť tomu, ako vznikajú zemetrasenia, musíme si uvedomiť najmä to, že zemská kôra a vrchná časť plášťa tvoria približne 100 km hrubú litosféru. Litosféra je rozbitá na 14 hlavných litosférických platní. Tieto litosférické platne sa navzájom pohybujú. Napríklad, pozdĺž zlomu San Andreas v Kalifornii sa vzhľadom k sebe pohybujú Tichooceánska a Severoamerická platňa. Tichooceánska platňa sa pohybuje smerom na severozápad, Severoamerická smerom na juhovýchod. V priemere 5 až 6 cm za rok.

Trenie

Pozrime sa bližšie na to, čo sa deje na zlome, t. j. na ploche, na ktorej sa jedna platňa dotýka druhej. Ak by sa nám nejako podarilo celý zlom namydliť alebo namazať olejom a ak by bola plocha dotyku hladká, platne by sa pokojne pozdĺž zlomu kĺzali a nikdy by žiadne zemetrasenie nevzniklo. Je jasné, že také jednoduché to v skutočnosti nie je.

Predstavte si, že ťaháte ľahké sane po snehu. Ide to ľahko a bez zadrhávania. Ak by ste ťahali tie isté sane na suchej asfaltovej ceste, bolo by to ťažšie. Ak by vám na sane ešte naložili 200 kilogramov cementu, už by ste saňami nepohli. Prečo? Kvôli treniu. Malé trenie si na snehu ani nevšimnete. Väčšie trenie na suchom asfalte už pocítite a trenie pri 200-kilogramovej záťaži vám už spoľahlivo zabráni ťahať sane.

Zemetrasenie

Silné trenie často bráni dvom litosférickým platniam, aby na ploche dotyku (pozdĺž zlomu) voľne preklzávali. Plocha dotyku sa teda nehýbe. Na druhej strane však toto trenie nezabráni tomu, aby sa celý zvyšok obrovských platní naďalej pohyboval. Možno povedať, že je to zvláštna situácia: Obrovské platne sa vzhľadom k sebe pohybujú, ale plocha, na ktorej sa dotýkajú, sa nehýbe. Práve takýto dej napokon vedie k vzniku silných zemetrasení, ktoré nazývame tektonické. Veľmi zjednodušene si to môžeme ukázať na obrázkoch. Predstavme si, že sa pozeráme na malú časť zlomu San Andreas z vtáčej perspektívy. Aby sme si ľahšie predstavili pružné správanie sa litosférických platní počas prípravy zemetrasenia a počas samotného zemetrasenia, uvažujme opäť „guľkový model s pružinkami“. Obr. 2 ukazuje, ako by to vyzeralo, keby sa nič nedialo a nehýbalo. Obr. 3 ukazuje „fotografiu (momentku)“ zlomu povedzme 100 rokov po tom, čo sa začali platne pohybovať, t. j. tesne pred zemetrasením. Keďže trenie nedovolilo platniam, aby pozdĺž zlomu voľne preklzávali, náš guľkový model sa napol a pokrivil. V reči fyziky by sme povedali, že sa pozdĺž zlomu nahromadilo napätie a deformácia. Po 100 rokoch môže byť napätie už také veľké, že v jednej chvíli sa vyrovná sile trenia, ktoré po celých 100 rokov bránilo prekĺzavaniu. Vzápätí nahromadené napätie silu trenia prekoná. Guľky Tichooceánskej platne rýchlo (trvá to niekoľko sekúnd) odskočia doľava a guľky Severoamerickej platne doprava (Obr. 4; guľky neodskočia naraz – odskok sa šíri zo stredu smerom k okrajom). Napokon, po zemetrasení, to vyzerá tak (Obr. 5), ako keby platne celých 100 rokov pozdĺž zlomu voľne prekĺzavali.

Aj keď vyzerá „výsledok“ rovnako, medzi zemetrasením a voľným prekĺzavaním je obrovský rozdiel. Počas zemetrasenia sa guľky pri zlome rýchlo vychýlia. Vďaka pružinkám sa tento rýchly pohyb prenesie aj na guľky ďalej od zlomu. Tieto guľky sa teda vychýlia zo svojej rovnovážnej polohy a začnú kmitať. Kmitavý pohyb sa potom šíri do veľkých vzdialeností od zlomu. Hovoríme, že sa vnútri Zeme šíria seizmické vlny. Keď dosiahnu povrch Zeme, spôsobia jeho trasenie. Silné zemetrasenie môže spôsobiť katastrofu, ak zasiahne husto osídlené územie. To aj preto, že pri žiadnom inom procese vnútri a na povrchu Zeme sa za takú krátku dobu neuvoľní toľko energie ako pri najsilnejších zemetraseniach. Napr. pri zemetrasení v r. 1960 v Čile sa len vo forme seizmických vĺn uvoľnilo približne 145 000-krát viac energie ako pri výbuchu atómovej bomby v Hirošime.

Užitočné seizmické vlny

Ak zemetrasenie nezabíja a neničí, je veľmi užitočné. Seizmické vlny sa môžu šíriť celým vnútrom našej planéty. Záznamy seizmických vĺn obsahujú nenahraditeľnú informáciu o stavbe Zeme. Seizmický model Zeme, to znamená, model rozloženia rýchlostí šírenia seizmických vĺn, je absolútne najpresnejším modelom vnútra našej planéty a je dôležitým základom všetkých výskumov vnútra Zeme.

Menej známe je to, že vďaka seizmickým vlnám dnes pomerne dobre poznáme aj vnútornú stavbu Mesiaca. Počas amerického kozmického projektu Apollo boli na Mesiaci umiestnené seizmografy a zaznamenávali lunotrasenia a dopady meteoritov. Americkí kozmonauti dokonca urobili na Mesiaci malé umelé explózie, aby vyvolali seizmické vlny. Keď si bude človek osvojovať kozmický priestor, bude využívať seizmické vlny na výskum vnútornej stavby planét a veľkých asteroidov.

Keď Robert Leighton z Caltechu zistil začiatkom 60. rokov 5-minútové oscilácie povrchu Slnka, začala sa rodiť nová vedecká disciplína – seizmológia hviezd. Seizmológia hviezd skúma vnútornú stavbu hviezd pomocou analýzy ich mechanického kmitania. Seizmológia, ktorá vznikla preto, aby skúmala trasenie Zeme, sa teda stáva vedou o „trasení“ planét a hviezd. Podobne geofyzika, fyzika Zeme, sa čoraz viac stáva fyzikou planetárnych telies.

Prof. RNDr. Peter Moczo, DrSc. (1956)

Vyštudoval v roku 1980 geofyziku na Matematickofy­zikálnej fakulte Univerzity Karlovej v Prahe, kde neskôr získal aj vedecké hodnosti CSc. a DrSc. Od roku 1980 pracoval v Geofyzikálnom ústave SAV v Bratislave, od roku 2001 pracuje na Fakulte matematiky, fyziky a informatiky UK, kde vedie katedru astronómie, fyziky Zeme a meteorológie a je garantom magisterského a doktorandského štúdia geofyziky. Je hlavným autorom niekoľkých odborných monografií a kapitoly v medzinárodnej monografii. Patrí k najvýznamnejším svetovým odborníkom na numerické modelovanie seizmického pohybu. Je predsedom Národného komitétu pre geodéziu a geofyziku, editorom zahraničného vedeckého časopisu. Bol ocenený Čestnou plaketou SAV Dionýza Štúra za zásluhy v prírodných vedách a ako vedúci tímu Cenou SAV za budovanie infraštruktúry pre vedu.

Peter Moczo
Peter Moczo
DUK 2008 obálka
DUK 2008 obálka

Článok vznikol na základe prednášky uskutočnenej v rámci projektu Detská univerzita Komenského. Vydavateľstvo PEREX z každého ukončeného ročníka vydáva zborník vo forme pestro ilustrovanej knižky sumarizujúcej obsah prednášok z daného ročníka. Knižka z prvého ročníka (2003) je už vypredaná, vydania z ročníkov 2004, 2005, 2006, 2007 a 2008 si môžete objednať za cenu 5€ (151 Sk) + poštovné na tel. čísle 02/4959 6270 od 8. do 14. hodiny, alebo emailom na adrese predplatne@pravda.sk.

Sleduj najnovšie články na našom Facebooku
Ponuky zo Zľavy.Pravda.sk