Egy kis szeizmológia

A szeizmikus események lehetséges forrásai a Marson
A szeizmikus hullámok
Szeizmikus hullámok és bolygószerkezet
Szeizmológia a Marson

Az InSight küldetésének célja, hogy felderítse a Mars belső szerkezeti felépítését a talajra helyezett rezgésérzékelők, az ún. szeizmométerek segítségével.

A szeizmikus események lehetséges forrásai a Marson

A szeizmométer egység
A Marson négy forrása lehet a szeizmikus eseményeknek

1. Árapály erők okozta mozgások

A Mars körül keringő egyik hold, a Phobos egy nagyon alacsony frekvenciájú, körülbelül nyolc óra periódusidejű „árapály” mozgást okoz a Mars felszínén. A hosszú periódusú SEIS érzékelő eszköznek elég érzékenynek kell lennie ahhoz, hogy mérje ezt az árapálymozgást és kimutatható legyen a több mint egy évig (esetleg 2 évig) tartó méréseinek kiátlagolása után.

2. Légköri hatások

A Marson a porviharok is szóba jöhetnek mint olyan energiaforrás, ami szeizmikus rezgéseket okozhat a talajban.

3. Meteorit-becsapódások

A meteorit-becsapódás zavart kelt a talajban, ami szeizmikus hullámok formájában eljut az InSight-hoz. A Mars belső szerkezetének felderítését a meteorit-becsapódások okozta talajrezgések detektálásától reméljük. A módszer hasonló, mint a Föld esetében, azonban van egy nagy különbség. Míg a Földön egy földrengés okozta hullámot sok szeizmológiai állomáson detektált jelből, a Mars esetében egyetlen helyen levő műszerrel, de sok-sok meteorit-becsapódás keltette rezgésből kell kideríteni.

4. Vetők

A marsrengéseket vetődések, legyenek azok akár felszíniek vagy felszín alattiak is létrehozhatnak, amik várhatóan olyan gyakran fordulnak elő a Marson, mint amennyi a sekély holdrengések és a Föld kőzetlemezeinek belső részén kipattant földrengések gyakorisága között lehet. A Földön a földrengések leggyakrabban a lemezek határain fordulnak elő, de hogy a Marson működik-e lemeztektonika valamilyen formában, azt még nem tudjuk. Ennek kiderítése is szerepel a küldetés céljai között.

A szeizmométer egység
A "földrengések" átlagos száma évente az esemény M magnitudója függvényében

Vissza a lap elejére

A szeizmikus hullámok

Amikor egy földrengés vagy egy meteorit-becsapódás történik, a talajban keltett zavar a kőzetrétegeken keresztül szeizmikus hullámok formájában terjed tova. Azokat a hullámokat, amelyek keresztülutaznak a bolygó testén térhullámoknak, amelyek a bolygó felszínéhez kötötten haladnak, felületi hullámoknak nevezzük.

Térhullámok

A térhullámoknak apalvetően két típusát különböztetjük meg. A longitudinális hullámban a közeg részecskéinek rezgésiránya megegyezik a hullám terjedési irányával. Jelölésére a P betűt használják. A hanghullámok tipikusan ilyen nyomáshullámok.

Longitudinális hullám

A transzverzális (vagy kereszt irányú) hullámban (jelölése S) a közeg részecskéinek rezgésiránya (pontosabban a rezgési síkja) merőleges a hullám terjedési irányára. Ha a rezgési síkban kiválasztunk egy rezgésirányt, akkor a hullám polarizációjáról beszélünk. A transzverzális hullámok csak olyan közegekben tudnak terjedni, amelyekben ki tud alakulni nyíró feszültség, vagyis - ellentétben a nyomáshullámokkal - csak szilárd halmazállapotú közegekben, folyadékokban és gázokban nem.

Transzverzális hullám

Felületi hullámok

A felületi hullámok akkor jönnek létre, amikor P- és S- hullámok egy mélyfészkű rengésből kiindulva elérik a felszínt, miközben megtörnek, vagy visszaverődnek a felszínhez közeli rétegekben. Két típusa ismert; a Love-hullám és a Rayleigh-hullám. A felületi hullámoknak igen alacsony frekvenciájúak is lehetnek (néhány mHz). Ezek az igen alacsony frekvenciás hullámok hatalmas távolságokat utazhatnak be anélkül, hogy lényegesen gyengülnének, és néha az is megfigyelhető, hogy egy nagy rengés után többször is körbejárják a bolygót.

A Love hullám olyan kereszt irányú (transzverzális) hullám, melyben a részecskemozgás a horizontális síkban történik, és merőleges a hullám terjedési irányára. (Más szóval, horizontális síkban polarizált transzverzális hullám.) Az oszcilláció amplitúdója a mélységgel csökken.

A szeizmométer egység

A Rayleigh-hullám a vízhullámokhoz hasonló. A részecskemozgás komplex, egy ellipszis alakú pálya mentén történik. Az oszcilláció amplitúdója a Love-hullámhoz hasonlóan a mélységgel csökken.

A szeizmométer egység

A longitudinális hullámok gyorsabban terjednek a transzverzális hullámoknál. Ebből következően - bár egyszerre keletkeztek, a vizsgálat helyére nem fognak egyszerre megérkezni. Mivel a longitudinális hullámok érkeznek meg először, ezért a szeizmológiában azokat P, azaz elsődleges (Primary), míg a később beérkező transzverzális hullámokat S, azaz másodlagos (Secondary) hullámoknak nevezik. A P és S jelölések összhangban vannak a hullámok korábban említett fizikai tulajdonságaival, a nyomás (P - Pressure) és a nyírás (S - Shear) jelölésekkel.

A beérkező P- és S-hullámok energiáját összehasonlítva a tudósok képesek megmondani, hogy földrengés vagy robban(t)ás történt-e. A robbantások ugyanis sokkal erősebb P-hullámot gerjesztenek. A Földön ez egy hasznos módszer pl. az atombomba-kísérletek felügyeletére, a Marson pedig segíteni fog megkülönböztetni a marsrengéseket a meteorit-becsapódásoktól; ez utóbbiakat ugyanis felszíni robbanásoknak tekinthetjük.

Vissza a lap elejére

Szeizmikus hullámok és bolygószerkezet

Ha a hullám két, egymástól külünböző tulajdonságú közeg határára érkezik, akkor a határfelületen egy része vissaverődik, más része az irányát megváltoztatva (megtörve) tovább halad. Ha a közeg fizikai tulajdonságai folyamatosan változnak, a hullám görbült útvonalon is haladhat. Mindezek érvényesek a szeizmikus hullámokra is. Közeghatár lehet pl. a szilárd kéreg és a köpeny, vagy a köpeny és a folyékony mag találkozása. A helyzetet tovább bonyolítja, hogy a határfelületen változhatnak a polarizációs viszonyok is, valamint hullámtipusok közötti részleges konverzió is megvalósulhat.



A Föld belső szerkezete
A P- és S-hullámok sugárútjai a Föld belsejében

A P-hullám terjedése

A P-hullámok keresztülhaladnak a földköpenyen, ami rövid időtartamú erőhatásra szilárd anyagként viselkedik, és áthatolnak a folyékony magon is. Ahogy a köpenyben a nyomás a mélységgel növekszik, úgy nő a P-hullámok terjedési sebessége, és görbült sugárút alakul ki. Szűk határrétegeken pedig, mint a köpeny-mag határon a folyékony magba lépve a P-hullám sebessége hirtelen lecsökken, ami ahhoz vezet, hogy a Föld felszínén van egy terület, ahova nem érkeznek be közvetlenül P-hullámok – az eseménytől 103º-142º távolságban egy árnyékzóna jön létre.

Az S-hullám terjedése

Az S-hullámok csak szilárd anyagokban terjednek, mint a pl. Föld kérge és köpenye. A 103º-nál nagyobb távolságokban árnyékzóna alakul ki, ahova az epicentrumból, azaz a földrengés kipattanási helyéről nem érkeznek be S-hullámok. Valójában a Föld folyékony magjának a méretét és összetételét eredetileg úgy felfedezték fel, hogy elemezték az árnyékzóna elhelyezkedését.

A Föld belső szerkezete
A P- és S-hullámok sebességviszonyai a Föld belsejében
(módosított IASP91 Föld Modell © BGSC/NERC)

A szeizmikus hullámok sebessége a mélységgel növekszik. A P-hullám sebessége a köpeny-mag határon egy éles csökkenést mutat. Az S-hullámok a folyékony külső magban nem terjednek (nulla a sebessége).

A Föld belső szerkezete

A szeizmikus hullámok visszaverődési, illetve törési szögének valamint intenzitásának vizsgálata teszi lehetővé, hogy a bolygó belsejében levő anyag sűrűségéről és szerkezetéről információt kapjunk. A Föld belső szerkezetét is a szeizmikus hullámok tanulmányozásával ismertük meg.

A Föld belső szerkezete
A Föld belső szerkezete

A Föld legkülső, szilárd halmazállapotú, kőzetekből álló rétege a földkéreg. A bolygó sugarával összehasonlítva nagyon vékony gömbhéj: az óceánok alatt 6-7 km, a szárazföldek alatt 30-40 km vastagságú. A földkéreg alatti rész a földköpeny, amely kőzetekből felépülő szilárd réteg. Két részre, a felső és az alsó köpenyre tagolódik. A felső köpeny kb. 700 km mélységig terjed, felső, kb. 100 és 250 km közti részét lágyköpenynek, idegen szóval asztenoszférának nevezik. Az asztenoszféra enyhén képlékeny, szilárdhoz közel álló halmazállapotú, átlaghőmérséklete 1340 Celsius körül mozog. Az alsó földköpeny 2900 km mélységig tart, itt kezdődik a Föld magja. A földmag külső része folyékony, belső része szilárd halmazállapotú.

(Források és további ismeretek:
https://www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tamop412A/2011-0038_12_david1_hu/ar01s02.html
http://termtud.akg.hu/okt/7/foldunk/2tagol.htm)

Vissza a lap elejére

Szeizmológia a Marson

A Földön egy szeizmológiai eseményt számos helyen detektálnak, de fontos információt hordoz az is, mely állomásokon nem volt érzékelhető a rengés (ld. a P és S hullámok árnyékzónája). A Mars esetében csupán egy állomás jelei állnak (majd) rendelkezésre, amihez még szükség lesz további, kiegészítő információkra.

Az InSight szeizmométerei és gyorsulásmérői mérik a beérkező hullámok irányát és amplitúdóját, a Mars felett keringő MRO (Mars Reconnaissance Orbiter) egység pedig a felszínről nagy felbontású képeket küld. A képek segítségével képesek leszünk meghatározni a becsapódási események helyét. A Marsrengések program keretében pont ebben tudunk segíteni a kutatóknak, akik sok-sok újonnan keletkezett kráter adataiból meghatározzák minden egyes rengés energiáját, és a hullámok gondos elemzésével lassan kezdik majd felderíteni a Mars belső szerkezetét.

A becsapódás távolságának meghatározása

Míg a P-hullámok terjedési sebessége a földkéregben 5-7 km/s, addig az S-hullámok lassabban 3-4 km/s sebességgel haladnak, és A Mars esetében is ezt várjuk. Ha a szeizmométertől egy bizonyos távolságban becsapódás történik, akkor ennek hatásaként először a gyorsabb P-hullámokat érzékeli a műszer. Amikor az S-hullámok is megérkeznek, egy újabb, nagyobb amplitúdójú nyom lesz megfigyelhető. A beérkezési idők közti eltérést fel tudjuk használni arra, hogy kiszámítsuk az esemény szeizmométertől való távolságát. Nagyobb távolság esetén hosszabb idő fog eltelni a két hullámtípus beérkezése között.

A P és S hullámok futásideje
A P- és S- hullámok futásideje egy 10 km-re a felszín alatt történt rengésből kiindulva (© BGS/NERC)

A fenti ábráról leolvashatjuk, hogyha a futásidő különbsége 3,4 másodperc, akkor a földrengés az észlelőhelytől 24 km-re pattant ki. A görbék eleje azért görbült, és azért nem a 0-pontból indulnak, mivel a kipattanás a felszín alatt 5 km-re történt. (Más mélység esetén egy kissé módosulnak a görbék.)

A Mars esetében felszíni becsapódás okozta rengéseket várunk, így ebben az esetben a futásidő különbség a távolsággal lineárisan változik.

A P és S hullámok futásidejénak különbsége felszini becsapódáskor
A P- és S- hullámok futásideje felszíni becsapódáskor

Ha például a futásidő különbsége 3 másodperc, akkor a becsapódás az észlelőhelytől várhatóan 18 km-re történt.

A becsapódás irányának meghatározása

A P és S hullámok futásidő különbségéből a fentiek alapján következtethetünk az új kráter InSight-tól való távolságára, de a szeizmogram kezdeti szakaszának elemzésével az irányát is megbecsülhetjük. Ezt ismét egy földi példán keresztül mutatjuk be.

Manapság a szeizmométerek a talajmozgást az idő függvényében három irányban rögzítik: egy függőleges és két vízszintes, általában az észak-déli (É-D) és kelet-nyugati (K-Ny) irányban. Az alábbi ábra egy viszonylag kicsi (M=4,2), a műszertől 240 km-re kipattant földrengés szeizmogramja. A két vízszintes komponens az É-D-i (kék) és K-Ny-i irányú (narancs). A vízszintes tengely az időt, a függőleges a talajmozgását mutatja. Az elsőként beérkezett szeizmikus hullámok (bekeretezett rész) részletes elemzése lehetővé teszi, hogy meghatározzuk a hullámok beérkezési irányát.

Szeizmogram
Szeizmogram

A módszer a következő: a szeizmogram kezdeti - a fenti ábrán kék téglalappal megjelölt - szakaszán mért É-D és K-Ny irányú elmozdulásértékeket bejelöljük egy derékszögű koordinátarendszerben. Természetesen arra ügyelni kell, hogy a két csatorna léptéke azonos legyen. Az első néhány pont egy viszonylag szűk, elnyúlt hurkot fog ábrázolni. A hurok tengelye megadja a hullám beérkezési irányát. A forrás talajrészecskék kezdeti elmozdulásával ellentétes irányban található. Az elmondottakat az alábbi ábra szemlélteti.

A forrás irányának meghatározása
A szeizmikus forrás irányának meghatározása

Az ábra felső része a szeizmogram kezdeti szakaszát mutatja kinagyítva, az alsó részén pedig a derékszögű koordinátarendszerben ábrázolt elmozdulásértékek láthatók. A piros nyil a forrás feltételezett irányát jelöli.

Új kráter keresése a Marson

A Marsrengések program keretében az új becsapódási kráterek keresése az alábbi lépésekből áll:

1. Rendszeresen ellenőrizzük, hogy az InSight rögzített-e szeizmikus eseményt
2. Az S és P hullámok futásidőkülönbségéből meghatározzuk az esemény távolságát a szeizmométertől
3, A P-hullám kezdeti szakaszának elemzésével meghatározzuk a hullám beérkezési irányát
4, Az esemény 1. pont szerint kapott távolságának megfelelő sugárral a marstérképen kört rajzolunk az InSight pozíciója köré, és megkeressük a feltételezett új kráter helyét.
5. A HiRISE szondának a szezmikus jel észlelése előtt és után, a feltételezett területetről készült képeit összehasonlítjuk, és a felvételeket közelebbről megvizsgálva behatároljuk a krátert.
6. Ha erőfeszítéseinket siker koronázta, mielőbb értesítést küldünk az eredményről.

Vissza a lap elejére