Lom seismických vln

Vysvětlíme si teď rychle základy lomu vln a zaměříme se především na seismické vlny. Obecná pravidla lomu vln, které přecházejí z prostředí rychlého do prostředí pomalého šíření vln a naopak, jsou v podstatě stejná, jako ta, která se dozvíte při studiu lomu světla. Takže se pustíme do uvažování. Řekněme, že tady mám prostředí pomalého a na druhé straně mám prostředí rychlého šíření vln. Budeme uvažovat o P-vlnách, protože prochází pevnými látkami i tekutinami, a naše prostředí pomalého šíření je tvořeno tekutinou a prostředí rychlého šíření vln představuje pevná látka. Nakreslím mezi nimi rozhraní. Představme si, že něco vysílá P-vlnu, která se začíná šířit vodou a šíří se kolmo směrem k hranici. Taková vlna bude pokračovat i v prostředí rychlého šíření stejným směrem. Půjde rovně, pokud je kolmá na rozhraní. Jestliže se šíří kolmo na rozhraní, v prostředí rychlého šíření se zrychlí. Je to proto, že toto prostředí má vyšší hustotu a jeho molekuly na sebe mohou narážet rychleji. Za stejný čas postoupí tato řetězová reakce o větší vzdálenost, protože její molekuly jsou k sobě blízko a naráží na sebe rychleji než molekuly pomalého prostředí. Ale určitě nedojde k žádnému lomu. Směr vlny se nevychýlí. Jen tak pro zopakování: Lom znamená, že se vychýlí vlna. Odraz je, když se něco odrazí zpět, a lom, když se to jen trochu vychýlí. Ujasním to. Když tady máme nějaké rozhraní a vlna se na něm odrazí zpět, je to odraz. Ale když vlna přes to rozhraní projde a jen se trochu vychýlí, změní svůj směr, je to lom. A o něm budeme mluvit. V případě této vlny samozřejmě k lomu nedošlo. Ale kdyby dorazila k rozhraní pod určitým úhlem... Nakreslíme si P-vlnu pod určitým úhlem... To, k čemu dojde, a směr, kterým se bude ohýbat, si podle mne nejlépe odvodíme tak, že si tu jednoduše představíme takový vozík. Vozík s kolečky. Toto je pohled shora na můj vozík. Kola takového vozíku by se v tomto prostředí točila pomalu. Představte si to jako bahno. V tom se prostě neodpíchne. A rychlé prostředí by byla silnice, na které pěkně zabírá a jede rychleji. Co se, ale děje s vozíkem, když je na rozhraní? Jeho pravé přední kolo se ocitne na rychlém povrchu dříve než ostatní tři kola. Takže se jako první může odpíchnout. Levé přední kolo a obě zadní kola jsou pořád zapadlá v bahně, a stane se následující: pravé přední kolo se točí rychleji, a proto bude schopné v podstatě otočit celý vozík. Tato kolečka pořád vězí v bahně a proto po chvíli dojde ke změně směru pohybu vozíku. Pojede teď asi tímto směrem. Přesně totéž se děje s vlnou. Když P-vlna dorazí k takovému rozhraní, velmi podobná situace nastane v měřítku molekul. Můžete si to představit jako kulečníkové koule, které do sebe naráží... Raději to nebudu rozebírat, mohlo by vás to zmást, v závislosti na různých podmínkách a rozhraních... Ovšem takto si nejlépe představíte, jak se změní směr vlny. Snad na to každý přijde selským rozumem. Když se vlna pohybuje z pomalého do prostředí rychlého šíření vln, úhel jejího pohybu se vychýlí tímto směrem. Pokud by se šířila z prostředí rychlého šíření vlny do pomalého, můžete si to znovu představit stejným způsobem. Když se vlna šíří třeba tímto směrem... Nakreslete si vozík! Prostě ho tam znázorněte, a pak uvažujte: Toto kolo zapadne do bahna. Protože přední pravé kolo bylo na silnici nejblíž bahnu, zapadne jako první a proto se bude točit pomalu a zbývající kola se budou točit rychleji. Takže se vozík otočí. Při přechodu z rychlého do prostředí pomalého šíření vln tedy dojde k ohybu tímto směrem. Tak to jsou obecné principy lomu vln. Teď si představme, co se děje se zvukovými vlnami, když se šíří skrz Zemi. Tímto způsobem se v podstatě dá zjistit, jaká je skutečná struktura Země. Kdyby totiž Země byla tvořena jen jedním typem hmoty a třeba tady by došlo k zemětřesení, vlastně by to bylo trochu pod povrchem, protože k němu dochází v zemské kůře, takže kousek pod povrchem Země. Kdyby ale Země byla z jednolité hmoty o stejné hustotě a měla by se skrz ní šířit P-vlna, protože P-vlny se šíří ve všech látkách, jakým způsobem by k tomu docházelo? P-vlny by se prostě pohybovaly rovně, protože by nenarážely na nic, co by je ohýbalo. Tvořily by přímky šířící se dál od místa, kde došlo k zemětřesení. My ovšem dokážeme hned odhadnout, že čím hlouběji jsme, tím více horniny se nachází nad námi, a všechna její tíha tlačí na horniny pod námi. Takže s narůstající hloubkou roste tlak, a proto se zvyšuje i hustota. Toto je Země s konstantní hustotou. Zkusíme si teď představit Zemi tvořenou jediným materiálem. Kompletně z pevné hmoty, ale takovou, kde hustota roste nepřetržitě s hloubkou. Pojďme o tom popřemýšlet... než se pustíme do kontinuálního případu, protože se bavíme o hustotě, která s hloubkou plynule narůstá... Popřemýšlejme o případu jednotlivých vrstev, kde máme nejřidší vrstvu. Tady si ji nakreslíme. Toto by byl povrch Země a toto vrstva s nejnižší hustotou. Pak by následovala jiná vrstva s hustotou vyšší. Pod ní by byla další vrstva s ještě vyšší hustotou. Takže další vrstva s ještě vyšší hustotou. A dáme si ještě jednu vrstvu, která bude mít nejvyšší hustotu. Obecně platí, že P-vlna se v hustším prostředí šíří rychleji. Takže tady se bude šířit nejrychleji a nejpomaleji tady, v nejméně hustém prostředí. Podívejme se, co se stane, když se vlna bude šířit pod určitým úhlem. Dejme tomu, že P-vlna prochází pod takovým úhlem. V nejméně hustém prostřední prochází přímo. Když ale dorazí k... Raději ji trochu narovnám, třeba takto. Co se stane na přechodu do hustšího materiálu? Můžeme si tu znovu představit naše autíčko. Toto kolo dostane odpich a bude se točit rychleji než ostatní kola. Celé auto se proto natočí doleva. Bude se teď pohybovat tímto směrem. Pojede nějak takto. K čemu teď dojde na dalším rozhraní? Znovu si představíme autíčko. Pravé přední kolo se bude zase točit rychleji než ostatní, a tak se celé auto opět vychýlí tímto směrem. Následuje přechod do ještě vyšší hustoty. Kola na této straně se obě natočí dolů a obě se budou točit rychleji dříve než ostatní. Auto se proto vychýlí mnohem výrazněji. Teď vidíme, že při přechodu do prostředí z vyšší hustotou se směr vlny stáčí ven. Jak to tedy vypadá v kontinuálním prostředí, kde se hustota s rostoucí hloubkou zvyšuje postupně? Tady je hustota nejnižší a do hloubky se postupně zvyšuje, takže spodní část je nejhustší. Jak by se vlny lámaly tady? Vypadalo by to jako plynulá křivka. P-vlny by se neustále lámaly tímto směrem. Vychylovaly by se směrem ven. Toto byl tedy příklad se Zemí, jejíž hustota je neměnná. Vám je určitě jasné, že tak to nemůže být, protože hmota se zhušťuje, když je pod tlakem. Představme si jinou situaci. Zemi tvořenou jedním typem látky, jejíž hustota se zvyšuje. Je tedy nejhustší ve středu. Jak by se P-vlny šířily tady? Nebo jak by se šířily jakékoli seismické vlny? Kdyby tady došlo k zemětřesení, vlny šířící se kolmo na střed by pokračovaly rovně dolů, protože, jak už víme, tyto vlny se na přechodu do jiných prostředí nikam nevychylují. Ale vlny, které se šíří pod určitým úhlem, se ve větších hloubkách čím dál tím více vychylují a lámou se směrem ven, přesně tak, jak jsme si to tady ukazovali. Když se šíří pod tímto úhlem, lámou se takto, a když se šíří takto, lámou se tímto směrem. Lámou se směrem ven. Pokud jdou tudy, lámou se do strany takto, a pokud jdou tudy, lámou se směrem ven takto. V dalších videích použijeme to, co jsme se naučili o lomu seismických vln a jaký bychom měli lom v prostředí s narůstající hustotou materiálu. Použijeme tyto informace, abychom zjistili složení Země na základě toho, co pozorujeme.