Onde sismiche

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Onde di corpo e Onde di superficie

Le onde sismiche sono onde che si propagano attraverso il globo terrestre, generate da un terremoto, da attivita' vulcanica o artificialmente ad opera dell' uomo tramite un'esplosione o un altra forma di energizzazione del terreno. Oggi, con il miglioramento della strumentazione geofisica si è scoperto che onde sismiche, con una scala di grandezza ben inferiore, sono generate in maniera continuativa anche dal vento e dal pulsare delle onde oceaniche.

[modifica] Descrizione

Un onda può essere definita come un disturbo che si propaga attraverso un materiale, o sulla sua superficie senza che ciò implichi uno spostamento definitivo di materiale. Tranne che nelle immediate vicinanze di una sorgente sismica naturale, solitamente una faglia, la terra torna nella posizione di partenza, dopo il passaggio dei moti transienti prodotti dalla stessa sorgente. Vibrazioni di questo tipo producono piccole deformazioni elastiche, in risposta alle forze agenti all’interno delle rocce (stress).
La teoria dell’elasticità lineare fornisce le relazioni matematiche per descrivere, mediante deformazioni e stress, il moto del materiale (chiamato di solito impropriamente suolo o terreno) causato da una sorgente sismica. Applicate le giuste condizioni al contorno tale moto è descrivibile attraverso funzioni oscillanti del tempo (onde).

[modifica] Condizioni a contorno

Nello studio di un mezzo solido un concetto estremamente utile è quello di continuo; la materia è descritta come una quantità distribuita continuamente nello spazio ed omogeneamente lungo le tre dimensioni. La sismologia considera inoltre fenomeni che producono deformazioni piccole (cambiamenti relativi di lunghezza di circa 10 ^{− 6}) avvenute in piccoli periodi di tempo (di solito minori di 1 ora). In questo modo è possibile applicare, per la descrizione dei nostri fenomeni, la teoria della deformazione infinitesima , semplificando notevolmente la matematica del problema.

[modifica] Tipi di onde

[modifica] Onde naturali

Le onde sismiche naturali si dividono principalmente in due grandi categorie, in funzione di come le onde percorrono il materiale perturbato:

• Onde di corpo (body wave in inglese)
  • Onde P
  • Onde S
• Onde superficiali (surface waves in inglese)
  • Onde di Rayleigh
  • Onde di Love

[modifica] Onde di corpo

Sismogrammi orientati, con registrate le componenti tridimensionali dell' arrivo delle onde P e S , lungo le direzioni orizzontali Nord-Sud ed Est-Ovest e Verticale alla superficie terrestre

Le Onde di Corpo o Onde di Volume sono quelle onde che si propagano dalla sorgente sismica ,dall'istante in cui avviene un terremoto, in tutte le direzioni verso l' interno della Terra. Si dimostra matematicamente che esistono due componenti della soluzione dell'equazione delle onde, in altre parole, una sorgente sismica genera due tipi di onde di corpo, distinte tra di loro, chiamate rispettivamente

• Onde P ;
• Onde S.

[modifica] Onde P

La Onde P sono onde compressionali, dette anche longitudinali o primarie. Esse sono simili alle onde acustiche e corrispondono a compressioni e rarefazioni del mezzo in cui viaggiano; al loro passaggio le particelle del materiale attraversato compiono un moto oscillatorio nella direzione di propagazione dell'onda. Sono, fra le onde generate da un terremoto, le più veloci, e dunque le prime avvertite ad una stazione sismica, da cui il nome di Onda P (Primaria). La velocità dell'onda è determinata dall' equazione:

con :

• k che rappresenta il modulo di incompressibilità;
• μ è il modulo di rigidità o modulo di taglio del materiale;
• ρ la densità del materiale attraversato dall'onda.

Sono le onde normalmente utilizzate durante le campagne di simica a scopi esplorativi, si anella sismica a rifrazione che nella sismica a riflessione, vengono anche chiamate onde di pressione.

[modifica] Onde S

Le Onde S o onde trasversali, sono body-wave tali da provocare nel materiale attraversato oscillazioni perpendicoli alla loro direzione di propagazione. Le si può immaginare come onde che si propagano su una corda di lunghezza finita, che viene fatta oscillare muovendone le due estremità.
Un'importante caratteristica di queste onde è che non possono propagarsi in mezzi fluidi, in cui il modulo di rigidità (μ) è nullo. Non è possibile dunque riscontrarle nel magma presenti nel serbatoio magmatico di un vulcano o nel nucleo esterno della terra. Questa caratteristica è stata storicamente molto importante per gli studi geofisici riguardanti la composizione in profondità della terra. La velocità delle onde S è determinata dall' equazione

con:

• μ modulo di rigidità o di taglio del materiale;
• ρ densità.

Comparando le due equazioni si vede che la velocità delle Onde S è necessariamente inferiore alla velocità delle Onde P (essendo presente, nell'equazione di quest'ultime, il modulo di incompressibilità k sempre positivo); esse raggiungono velocità che si aggirano solitamente intorno al 60-70% della velocità delle Onde P. Questo è il motivo per cui esse vengono avvertite sempre dopo le Onde P (da cui la denominazione onde S come Secondarie).

Le onde S sono onde rotazionali e possono essere polarizzate in funzione dell' anisotropia del mezzo attraversato. Le onde S sono generate dall 'incidenza delle onde P su un' interfaccia esistente al contatto fra due mezzi aventi differenti velocità acustiche, tramite una conversione aprziale dell' energia delle P in onde S.

[modifica] Onde superficiali

Le onde superficiali (o onde di superficie) vengono a crearsi a causa del'intersezione delle onde di corpo con una superficie di discontinuità fisica, la piu' studiata delle quali è la superficie libera della terra, cioè la superficie di separazione tra la crosta terrestre e l'atmosfera terrestre. Queste onde si propagano guidate lungo la superficie e la loro energia decade esponenzialmente con la profondità (è questo il motivo per cui si dicono superficiali). Queste onde vengono indotte facilmente nelle situazioni in cui la sorgente sismica è poco profonda. È da sottolineare che in caso di terremoto, nell' ipocentro sismico vengono generate direttamente solo Onde P e Onde S, in quanto queste sono le onde di corpoche si propagano all'interno della Terra, attarverso i suoi strati, ma non vengono generate direttamente le onde superficiali.

La velocità delle onde di superficie è inferiore alla velocità delle onde di corpo, per cui (specialmente se l'evento è distante) il loro arrivo è successivo all'arrivo dele Onde P ed S. D'altro canto, l'ampiezza e quindi l' energia associata, di queste onde è notevolmente maggiore di quella delle onde di corpo. Questo fatto si spiega notando che hanno fronti d'onda cilindrici, la cui area risulta 2πxz, ciò significa che per conservare l'energia (e poiché l'energia è proporzionale all'ampiezza dell'onda) l'ampiezza del'onda di superficie alla distanza X deve essere proporzionale a X ^{− 1 / 2}. Il fronte d'onda delle Onde P ed S invece è sferico e l'area relativa è quindi 4πx² e ciò significa che l'ampiezza delle onde di corpo alla distanza X è proporzionale a X ^{− 2} e quindi decade molto più velocemente dell'ampiezza delle onde di superficie.

Esistono due tipi di onde di superficie, chiamate coi nomi dei due fisici che per primi le studiarono:

• Onde di Rayleigh
• Onde di Love

[modifica] Onde di Rayleigh

Quando un'onda S incide sulla superficie libera viene in parte riflessa ed in parte genera un'ulteriore onda che si propaga sulla superficie stessa, chiamata Onda di Rayleigh.

Queste onde esistono sia in semispazi omogenei (in questo caso la sua velocità è circa 0,92 volte la velocità delle onde S) che disomogenei (in cui risulta essere un'onda dispersa, ossia la sua velocità è anche funzione della sua frequenza). Per meglio visualizzarle possiamo immaginarle le Onde di Rayleigh come molto simili a quelle che si creano gettando un sasso nello stagno, provocando quindi uno scuotimento o un sussulto sulla superficie d' acqua. Il loro moto è vincolato in uno spazio verticale contenente la direzione di propagazione dell'onda.

Si può dimostrare che se si potesse misurare direttamente il moto di una particella investita da un'onda di Rayleigh vicina alla superficie, questa seguirebbe un movimento ellittico, retrogrado secondo la direzione di propagazione dell'onda. Queste ellissi sono sempre più piccole via via che aumenta la profondità. I punti di contatto tra un'ellise e l'ellise inferiore sono dei nodi della funzione, in cui il terreno non si muove.

Le onde di Rayleigh non possono essere udite dall'uomo, mentre molti animali (uccelli, ragni e molti mammiferi) possono avvisarne l'arrivo. In occasione del maremoto dell'Oceano Indiano, è stato detto da molte fonti che gli animali presenti in quel luogo hanno potuto salvarsi grazie al fatto di aver sentito arrivare il terremoto in questo modo. Attualmente però non ci sono evidenze di questo fatto.

[modifica] Onde di Love

Le Onde di Love sono onde superficiali, anch'esse generate dall' incontro delle Onde S con superficie libera del terreno, ma vengono generate solo nei mezzi in cui la velocità delle Onde S aumenta con la profondità (quindi siamo in presenza di un mezzo disomogeneo) e quindi sono sempre onde disperse. Le Onde di Love fanno vibrare il terreno sul piano orizzontale in direzione ortogonale rispetto alla direzione di propagazione dell'onda.

La velocità delle onde di Love è maggiore di quella delle onde S negli strati più superficiali della crosta, ma minore della stessa negli strati più bassi.

[modifica] Onde asimmetriche (artificiali)

Nelle tecniche di logging per l' esplorazione del sottosuolo con perforazione di pozzi, vengono utilizzate delle onde particolari (onde flessurali), prodotte tramite opportuni trasmettitori, che si muovono asimmetricamente lungo la parete del foro. Queste onde dette onde dipolari o quadripolari, a seconda della forma dei loro lobi energetici, hanno la caratteristica di muoversi alla velocita' delle onde S quando sono generate a basse frequenze e di essere polarizzzabili, lungo due piani normali fra loro e passanti lungo l' asse del foro, rendendo possibile valutare ed orientare eventuali anisotropie acustiche delle formazioni [roccia|rocciose]] attraversate.

[modifica] Lo studio delle onde sismiche

[modifica] La velocità delle onde sismiche

La velocità di propagazione di queste onde dipende sia dal tipo di onda che dal mezzo di propagazione, ma risulta comunque sempre massima per le Onde P. Ad esempio, nel granito la velocità di propagazione delle Onde P è di circa 5,5 km/sec, quella delle Onde S è 3,0 km/sec, mentre nell'acqua la velocità delle onde P è circa di 1,5 km/sec. Le onde S, come abbiamo già visto non si possono invece propagare nei mezzi fluidi.

Il rapporto Vp/Vs è costante e caratteristico per ogni tipo di materiale.

[modifica] Curiosità: lo studio delle onde sismiche nei test atomici durante la guerra fredda

Analizzando un sismogramma è facile risalire al tipo di sorgente sismica che lo ha generato e conoscere tutte le caratteristiche necessarie ad individuarla con precisione. Questo permette di distinguere facilmente quindi un terremoto generato da un movimento tettonico, da una frana, da un vulcano o un'esplosione. Una grande spinta allo studio dei sismogrammi si è avuta negli anni della guerra fredda, nell'ambito della ricerca militare. Infatti in questo periodo era necessario da parte di entrambi gli schieramenti contrapposti (USA e URSS) conoscere con precisione la potenza dell'arsenare bellico nucleare del nemico. D'altra parte, in una politica di equilibrio era altresì necessario, da parte di entrambi i blocchi, far sapere al nemico di avere a disposizione armi sempre più potenti. Per molti anni quindi sono stati eseguiti test nucleari (sia sotterranei che in atmosfera) il cui intento era anche (oltre allo studio dell'arma atomica) politico, infatti ogni esplosione risultava un chiaro messaggio per il nemico sulla potenza e il luogo dell'esplosione.

[modifica] Voci correlate

• Terremoto
• Sismologia

[modifica] Bibliografia

• Aki K., Richards. P., 1980 - Quantitative seismology - ed. Freeman, New York.
• Lay T., Wallace T. C., 1995 - Modern Global Seismology. - ed. Academic Press.
• Robert E. Sheriff, 1991 - Encyclopedic Dictionary of Exploration Geophysics, Society of Exploration Geophysicists, Tulsa (OK) ISBN 1-56080-018-6

[modifica] Collegamenti esterni

• (EN) Pagina in cui vengono riportate delle animazioni di alcune onde trattate in questo articolo