Bevezetés

Minden földrengés rugalmas hullámokat hoz létre, amelyek keresztülhaladnak a Föld belsején. A szeizmológia tudománya azt vizsgálja, hogy ezek a hullámok mit árulnak el nekünk a földrengések keletkezésének fizikájáról és a Föld belső szerkezetéről. Ez az egyetlen eszköz, amellyel a kutatók képesek mélyen a Föld felszíne alá tekinteni, ahonnan közvetlen észleléssel nem juthatunk információkhoz. A szeizmológia szolgáltatta a legtöbb fontos felfedezést bolygónk természetéről, fizikai felépítéséről. Egyaránt lehetőséget ad számunkra, hogy tanulmányozzuk a felszín alatt több ezer kilométerre található földmagot, vagy a felszín közelében feltérképezzük a lehetséges szénhidrogén-tárolókat.

Írásunk röviden bemutatja, hogy a szeizmológia miként segítette, segíti a Föld szerkezetének, belső felépítésének megismerését. Kitérünk arra is, milyen szerepet kap ez a viszonylag fiatal tudományág más égitestek tanulmányozásában.
 

Menetidőgörbék és a Föld szerkezete

Az 1800-as években Augustin Cauchy, Siméon-Denis Poisson, George Stokes, Lord Rayleigh (John William Strutt) és mások elméleti kutatásai révén a rugalmas hullámok elmélete nagy lépésekkel haladt előre. Megállapították, hogy a szilárd testek belsejében longitudinális (P) és transzverzális (S) testhullámok, a szabad felszínen pedig felületi hullámok terjedhetnek. Ebben az időben az elmélet messze a gyakorlat előtt járt, hiszen még nem léteztek műszerek, amelyekkel észlelni és regisztrálni lehetett volna ezeket a hullámokat a Föld felszínén.

A 20. század elején azonban végre megjelentek az első jó minőségű szeizmográfok, és a regisztrált szeizmogramok száma is rohamosan növekedni kezdett. A kutatók hamar azonosítani tudták a P- és S-hullámokat, valamint a felületi hullámokat is. Észrevették, hogy a szeizmogramok jelentős számú, jól elkülöníthető hullámfázist tartalmaznak. Ha a hullámfázisok menetidejét felrajzoljuk a földrengés epicentruma és a szeizmológiai állomás közötti (epicentrális) távolság függvényében, akkor megkapjuk ezen hullámfázisok menetidőgörbéit (1. ábra). A tapasztalat azt mutatja, hogy a menetidőgörbék nem mindig folytonosak: előfordulhatnak bennük szakadások (árnyékzónák), vagy éppen hurok formát is alkothatnak. Ezek a tapasztalatok egyértelműen azt jelzik, hogy (1) a Föld belsejében éles sebességkontrasztoknak kell létezniük, ahol a rugalmas hullámok megtörnek, reflektálódnak, és ahol P-S, illetve S-P konverzió megy végbe, megmagyarázva ezzel az észlelt hullámfázisok nagy számát; (2) a hullámsebességnek néhol gyorsan kell növekednie a mélységgel, hogy megmagyarázhassuk a menetidőgörbéken tapasztalható hurkokat; (3) néhol alacsony sebességű zónának is lennie kell, hogy megmagyarázhassuk az árnyékzónákat. Az észlelt menetidőgörbék alapján tehát következtetni lehet arra, hogy a Föld belsejében miként változik a hullámsebesség a mélység függvényében.

A jelenleg is elfogadott gömbszimmetrikus, átlagos Föld-modell évtizedek kutatómunkája során alakult ki. Andrija Mohorovičić 1909-ben fedezte fel a róla elnevezett sebességdiszkontinuitást, amely a Föld külső héját, a földkérget választja el a földköpenytől. A köpeny alsó határa mintegy 2900 km mélyen található, amelyet 1914-ben Beno Gutenbergnek sikerült először azonosítania. Később arra is fény derült, hogy a köpeny alatt található földmag valójában két részből, a folyékony külső magból és a szilárd belső magból áll. A külső és a belső mag közötti határfelületet Inge Lehmann fedezte fel 1936-ban.

A kéreg átlagos vastagsága az óceánok alatt kb. 6 km, míg a kontinensek alatt 35 km, de helyenként akár a 70 km-t is elérheti. A földköpenyben, a kb. 400-700 km közötti mélységintervallumban található az átmeneti zóna, amelyben a sebesség meglehetősen gyorsan növekszik a mélységgel (2. ábra). A köpeny 700 km-nél mélyebb részében a sebesség fokozatosan növekszik. A köpeny–mag határon drámai változás tapasztalható: a P-hullám sebessége közel 14 km/s-ról mintegy 8 km/s-ra csökken, az S-hullám sebessége pedig kb. 7 km/s-ról nullára, mivel a külső mag folyékony, és benne transzverzális hullámok nem terjedhetnek. A belső mag azonban szilárd halmazállapotú, s benne mindkét hullámsebesség fokozatosan növekszik a mélységgel. Mivel a hullámok menetideje közvetlenül nem függ a sűrűségtől, a Föld sűrűségprofiljának megszerkesztése meglehetősen nehéz. Keith Edward Bullen azonban megmutatta, hogy ha feltételezünk valamilyen összefüggést a sebesség és a sűrűség között, akkor a Föld tömegének és tehetetlenségi nyomatékának ismeretében lehetőség van a sűrűségeloszlás becslésére is.

Végeredményben a földrengések által gerjesztett rugalmas hullámok észlelése és értelmezése lehetővé tette, hogy a Föld belsejébe lássunk, és meglehetősen pontos képet kaphassunk annak belső szerkezetéről. A Föld ma elfogadott modellje már nagy pontossággal adja vissza a mért menetidőadatokat.

A Föld sajátrezgései

A két végén rögzített húrhoz hasonlóan a Föld belsejében is kialakulnak állóhullámok, amelyeket normál módusoknak nevezünk. Az egyes módusok frekvenciáját sajátfrekvenciának, a hozzá tartozó elmozdulást pedig sajátfüggvénynek nevezzük.

Gömbszimmetrikus szilárd test esetén kétféle normál módust különböztetünk meg. A toroidális módusok az SH- és Love-hullámokkal mutatnak rokonságot. Csak horizontális elmozdulással járnak, és csak az S-hullám sebességére érzékenyek. A szferoidális módusok a P/SV- és Rayleigh-hullámokhoz hasonlatosak. Az elmozdulásnak ekkor horizontális és radiális komponense is van, amely mind az S, mind a P-hullám sebességétől függ. A hosszú periódusú szferiodális módusok a gravitációra is érzékenyek, ezért alkalmasak a Föld sűrűségeloszlásának meghatározására.

Az egyes módusok sajátfüggvényeit gömbi harmonikusok segítségével írhatjuk le. A toroidális módusokat nTlm , míg a szferoidális módusokat nSlm jelöléssel szokás illetni, ahol n a radiális, míg l és m a szferikus rendszámok. A radiális rendszám azt jelzi, hogy a sajátfüggvény hány helyen vesz fel zérus értéket a gömb sugara mentén. Ha n=0, akkor fundamentális módusról, ha n>0, akkor felharmonikusról beszélünk. Gömbszimmetrikus test esetén a sajátfrekvencia nem függ m-től, ezért ilyen esetben az m indexet el is szokás hagyni a jelölésekből.

Az 0S0 fundamentális szferiodális módus a Föld tágulásának és összehúzódásának periodikus váltakozását írja le. Az 0S1 módus a Föld egészének elmozdulását jelenti, amelynek nincs szeizmológiai jelentősége. Az 0S2 módus periódusideje mintegy 54 perc, e módusban rezegve a Föld egyszer horizontális, máskor vertikális ellipszoid alakot vesz fel. A 0T2 toroidális módus periódusideje mintegy 44 perc, és a Föld északi és déli féltekéjének egymással ellentétes, váltakozó irányú elfordulásának felel meg.

Mint említettük, a normál módusok sajátfrekvenciája csak akkor független az m rendszámtól, ha a rezgő test gömbszimmetrikus. A valóságos Földnél azonban ez a gömbi szimmetria megbomlik, hiszen bolygónk nem tökéletes gömb, tengely körüli forgást végez, gravitációs tere van, és inhomogén. A valóságos Föld rezgésének spektruma ezért felhasad, a sajátfrekvenciák m-től is függenek (3. ábra). Mivel a Föld ellipticitása, forgása és gravitációja ismert, hatásuk kiszűrhető, és a tapasztalt spektrális felhasadás alapján következtethetünk a Föld belső szerkezetére.

A Föld egészét csak nagy energiájú, 7-esnél nagyobb magnitúdójú földrengések képesek annyira rezgésbe hozni, hogy spektrális analízissel megállapíthassuk bolygónk normál módusainak sajátfrekvenciáit. Az ilyen vizsgálatok azonban több okból is igen hasznosak. Például az alacsony frekvenciás normál módusok információval szolgálnak a Föld sűrűségének térbeli változásairól. Mivel az egyes módusok energiasűrűsége egy bizonyos mélységben maximális, alkalmasak arra, hogy vizsgálatukkal következtessünk a rugalmas paraméterek mélység szerinti eloszlására. Fontos még kiemelni azt is, hogy a normál módusok segítségével a Föld olyan részei is vizsgálhatók, amelyekről a testhullámok (P- és S-hullámok) csak kevés információval szolgálnak (például a belső magbeli S-hullám sebessége).

Szeizmikus tomográfia

Az eddigiek során tárgyalt módszerek segítségével a Föld egydimenziós (1D), csak mélységtől függő sebességeloszlását határoztuk meg. Ám a Föld belsejében – kivált a földkéregben – az átlagos sebességmodellhez képest kisebb-nagyobb inhomogenitások találhatók, ezek feltérképezése nélkülözhetetlen a földdinamikai folyamatok megértésében, a nyersanyagkutatásban stb.

A menetidő-reziduál (vagy röviden csak reziduál) a mért menetidő és az átlagos 1D sebességeloszlás alapján számított menetidő különbsége. Ha a földrengés által gerjesztett rugalmas hullám az átlagosnál alacsonyabb hullámsebességgel jellemezhető térrészen halad át, akkor a reziduál pozitív, ellenkező esetben pedig negatív lesz. Kellően sok földrengést regisztrálva nagyszámú mérőállomás segítségével, azaz ha kellően sok sugárúttal világítjuk át a vizsgált térrészt, akkor következtetni tudunk a sebességanomália eloszlására. Ez az inverziós eljárás nagyon hasonlít az orvosi tomográfiához, ezért a szeizmikus tomográfia elnevezést kapta. Az analógia ellenére azonban hangsúlyoznunk kell, hogy a szeizmikus tomográfia sokkal bonyolultabb, mint az orvosi. Ennek több oka is van: (1) a szeizmikus sugarak nem egyenesek, és függenek a meghatározni kívánt sebességeloszlástól; (2) a szeizmikus források (földrengések) és érzékelők (szeizmológiai állomások) eloszlása egyenetlen és ritka; (3) a szeizmikus források helye nem pontosan ismert, lokalizációjuk függ a meghatározni kívánt sebességeloszlástól; (4) az egyes hullámfázisok beérkezési idejének kimérése hibákkal terhelt.

A feladat nehézségei ellenére a szeizmikus tomográfia sikeres eljárásnak bizonyult a gyakorlatban, és számos fontos eredménnyel szolgált a szeizmológiai kutatásban. Segítségével sikerült feltérképezni a földköpeny háromdimenziós sebességeloszlását, sikerült kimutatni a forró foltok (hot spot) alatti forró anyagra jellemző negatív sebességanomáliát és a szubdukciós zónában alábukó hideg óceáni kéregre jellemző pozitív anomáliát, de jelentős segítséget nyújtott több bonyolult tektonikai környezet jobb megértésében, hogy csak a legfontosabb példákat említsük. Mára a szeizmikus tomográfia a szerkezetkutatás nélkülözhetetlen eszközévé vált, és a nyersanyagkutatásban is fontos szerepet játszik.

Szeizmológia a Holdon

1969 és 1972 között az amerikai Apollo-12, -14, -15 és -16 holdmissziók során az asztronauták négy szeizmográfot helyeztek el a Hold felszínén abból a célból, hogy segítségükkel jobban meg lehessen ismerni a Hold belső szerkezetét. Működésük közel nyolc esztendeje alatt a műszerek 12 558 szeizmikus eseményt rögzítettek, amelyek közül több mint 1700-at meteorit becsapódása okozott.

A valódi holdrengéseket, amelyek a Hold belsejében keletkeztek, három kategóriába sorolhatjuk. A nappalok és éjszakák váltakozásából eredő hőingadozás okozta termorengések a felszín közelében keletkeznek, és nagyon gyengék. A holdkéreg alatt kipattanó, sekély fészkű rengésekből szintén csak keveset regisztráltak a szeizmológiai állomások. A legtöbb holdrengés mélyen a felszín alatt, 700 és 1200 km-es mélységek között keletkezik. Ezek előfordulása havi periodicitást mutat, és hozzávetőleg száz jól elkülöníthető fészekterületen összpontosul. Ezek a holdrengések meglehetősen kis energiájúak, többségük Richter-magnitúdója nem éri el a 2-es értéket. Eredetük a Hold Föld körüli keringése során fellépő árapályerők által okozott feszültségekre vezethető vissza. Az azonos fészekterületen kipattant rengések szeizmogramjai nagyon hasonlítanak egymásra, így ezek összegzésével (stacking) hathatósan növelni lehet a mérési adatok jel/zaj arányát. Erre szükség is van annak érdekében, hogy a Hold belső szerkezetét minél kisebb bizonytalansággal meg lehessen becsülni.

A Földhöz hasonlóan a Holdnak is van kérge, köpenye és magja. A holdkéreg vastagsága átlagosan 60–70 km, amely körülbelül kétszerese a Földön található szárazföldi kéreg átlagos vastagságának. A meteoritbecsapódások miatt a felső 20 km erősen töredezett, ami a szeizmikus hullámok jelentős szóródását okozza. A Hold magja meglehetősen kicsi, sugara csupán 330 km körül van. A legújabb kutatások eredményei szerint a holdmag – akárcsak a Föld esetén – felosztható egy szilárd belső, és egy olvadt anyagból álló külső magra. A holdmag és a holdköpeny között egy részben olvadt átmeneti réteg található. A Hold belsejében terjedő szeizmikus hullámok csillapodása sokkal kisebb mértékű, mint a Földön. Mivel a csillapodás mértéke a hőmérséklet és a kőzetek pórusfolyadék-tartalmának növekedésével egyaránt nő, arra a következtetésre juthatunk, hogy a Hold hideg és száraz égitest.

Helioszeizmológia

Bár az optikai tartományban nem tudunk a Nap felszíne alá tekinteni, a csillagunk belsejében végbemenő folyamatok által gerjesztett mechanikai hullámok segíthetnek abban, hogy információt szerezhessünk a Nap belső szerkezetéről.

A SOHO- (Solar and Heliospheric Observatory) űrszonda és a földfelszíni GONG- (Global Oscillations Network Group) mérőhálózat által üzemeltetett MDI- (Michelson Doppler Interferometer) műszerek segítségével hosszú időn keresztül megfigyelték (megfigyelik) a Nap felszínének mozgását, és megállapították, hogy a Nap állandó mechanikai rezgésben van. Ezen rezgések tanulmányozásával meghatározhatók a csillag sajátrezgéseinek tulajdonságai is. Attól függően, hogy a csillag belsejében az egyensúlyi helyzetéből kimozdított tömegelemre a nyomásból vagy a gravitációból származó visszatérítő erő az erősebb, többféle típusú sajátrezgést különböztetünk meg. Amennyiben a nyomásból származó erő a meghatározó egy adott sajátrezgés létrehozásában, az illető pulzációs módust p-módusnak, ha a gravitáció a jelentősebb, akkor g-módusnak hívjuk. A p-módusok elsősorban a csillag külső tartományaiban érnek el nagy amplitúdót, míg a g-módusok inkább a csillag belsejében.

A Nap esetén megfigyelhető óriási számú különböző sajátrezgés lehetővé teszi a Nap belső szerkezetének feltérképezését, ugyanis a különböző sajátrezgések a Nap más és más rétegeiben érik el maximális amplitúdójukat. Az észlelt sajátrezgések spektrumának inverziójával meghatározhatjuk a hangsebesség csillagon belüli eloszlását, ennek alapján pedig következtethetünk a Nap belső felépítésére, a hőmérséklet és a sűrűség térbeli változásaira, illetve a Nap különböző rétegeinek forgási sebességére. Ezzel az inverziós eljárással a helioszeizmológia számos új eredménnyel szolgált, amelyek közül a legfontosabbak:

1) A Nap teljes belső tartományában meghatározott hangsebességprofil lehetővé tette a Nap korának pontosabb becslését, és ezzel összefüggésben a kezdeti hélium- és nehézelem-gyakoriság pontosítását.

2) Megállapították, hogy a felszínen megfigyelt szélességi differenciális rotáció a konvektív zóna rétegeiben nem függ a mélységtől.

3) A Nap sugárzási zónája merev testként forog, 430–440 nHz szögsebességgel.

4) A konvektív és a sugárzási zónát egy vékony réteg, az ún. tachoklína választja el egymástól. A helioszeizmológia vizsgálatai alapján valószínűnek tartják, hogy ez a réteg a Nap mágneses mezejének forrása.

5) A konvektív zóna mélységének meghatározása lehetővé tette az áramlás útján történő energiatranszportot leíró modellek pontosítását.

Felhasználva a helioszeizmológiából kapott eredményeket, lehetőség nyílt egy olyan napmodell felállítására, amelyből a számított hangsebességprofil a lehető legjobban illeszkedik a mért hangsebességprofilhoz. A modellből kapott és a mért értékek közti különbség csak néhány ezrelék, és ez a nagyon kis eltérés is mutatja, hogy a standard napmodell kielégítően írja le a Nap belső szerkezetét.

A helioszeizmológia sikerei alapján kialakult az asztroszeizmológia tudománya, amely távoli csillagok sajátrezgéseinek észlelése segítségével tanulmányozza azok belső szerkezetét, sok hasznos információt szerezve a különböző fejlődési stádiumban levő csillagok fizikai tulajdonságairól, belső szerkezetük változásairól.

Összefoglalás

A fenti rövid áttekintés természetesen nem a teljesség igényével készült. A korlátozott terjedelem miatt nem térhettünk ki olyan módszerek bemutatására, mint például a vevőfüggvények (receiver function) inverziója, a felületi hullámok tomográfiája vagy a közelmúltban fejlődésnek indult zajtomográfia. Annak taglalására sem kerülhetett sor, hogy a gyakorlati geofizika egyik legfontosabb módszere, a szeizmika hogyan fejlődött ki a szeizmológiából. Mindazonáltal bízunk abban, hogy a tisztelt olvasó számára sikerült megmutatnunk: a szeizmológia nélkülözhetetlen eszköz, ha egy égitest belső szerkezetének megismerése a cél.
 

Kulcsszavak: földrengések, menetidőgörbék, földkéreg, földköpeny, földmag, normál módusok, szeizmikus tomográfia, holdrengések, helioszeizmológia, asztroszeizmológia