Mjerenje jačine zemljotresa PB-195

Rezime: Tema koju ćemo obraditi u ovom seminarskom radu je mjerenje jačine zemljotresa. U uvodu ovog rada biti će predstavljena neka od aktuelnih istraživanja u području tematike rada. U nastavku rada govorit objasnit ćemo šta je to zemljotres, kako nastaje i koja nauka je usko povezana sa ovom oblasti. Govorit ćemo o načinu mjerenja zemljotresa i o uređajima pomoću kojih se mjeri.

Ključne riječi: zemljotres, jačina, epicentar, seizmologija, seizmograf, magnituda, intenzitet Richterova skala, Mercallijeva skala

UvodKorištenje arduino seizmografa za podizanje svijesti o opasnosti od potresa kroz multidisciplinarni pristup (2016)

U [1] su Angela Saraò i ostali implementirali obrazovni program koji se temelji na korištenju besplatnog softvera i jeftinog hardvera kako bi zainteresovali učenike i probudili njihovu radoznalost o problemima seizmičkih opasnosti, te ih na taj način uključili u proces učenja najboljih praksi o seizmičkoj sigurnosti. Ovaj program je razvijen na posljednjoj godini u srednjoj školi Liceo Paschini u Tolmezzu (sjeveroistočna Italija). Učenici su pod nadzorom nastavnika fizike i seizmologa koristili Arduino ploču, ADXL345 akcelerometre i softver otvorenog koda kako bi napravili jeftini seizmometar koji bi mogao da snimi snažno lokalno kretanje. U ovom članku oni su objasnili kako se to pravi, odnosno dali instrukcije i omogućili drugim učenicima da pomoću toga mogu da reprodukuju eksperiment.

Procjene nesigurnosti u širokopojasnoj osjetljivosti seizmometra koristeći mikroseizme (2014)

U [2] su A.T. Ringler i ostali govorili o tome da je središnja osjetljivost seizmičkog instrumenta jedan od osnovnih parametara koji se koristi kod objavljivanja metapodataka stanice. Sve greške u ovoj vrijednosti mogu ugroziti procjene amplitude odnosno viskokvalitetne podatke. Za procjenu gornje granice nesigurnosti središnje osjetljivosti za moderne širokopojasne instrumente poredili su dnevne mikroseizme (period od 4 do 8 sati) omjeri amplitude između vertikalne komponente kolociranih širokopojasnih senzora preko IRIS/USGS (mrežni kod IU) seizmičke mreže. Saznali su da je srednja vrijednost od 145,972 dnevnih korištenih omjera između 2002. i 2013. godine 0,9895 sa standardnom devijacijom od 0,0231. To sugeriše da je odnos između instrumenata pokazuje malu pristrasnost i značajno rasipanje. Također su saznali da ovi omjeri prate standardnu normalnu distribuciju (R2 =0.95442), što sugeriše da osjetljivost instrumenata na srednji opseg ima grešku ne veću od ± 6 % sa intervalom pouzdanosti od 99 %. Ovo im daje gornju granicu preciznosti na osnovu koje znaju osjetljivost instrumenata na terenu.

Pojam zemljotresa Kao prvo treba napomenuti da je potres, kao prirodna pojava, stohastički proces koji se javlja sporadično u vremenu i prostoru i da je nezavisan od prošlih i budućih seizmičkih pojava na određenoj teritoriji. Trajanje razorne snage potresa je od nekoliko sekundi do najviše jedne minute. S druge strane, potres “ne poznaje” bilo kakve političke ili administrativne podjele tako da potresi velike jačine mogu izazvati materijalne štete i odnijeti ljudske živote na veoma velikim udaljenostima od epicentra (područja u kojem se najjače manifestuje). [3]

Zemljotres, potres ili trus, to su nagli, iznenadni i kratkotrajni pokreti slojeva Zemljine kore, koji u obliku udara, valova, drhtanja i tutnjave izazivaju potrese. Potres izazivaju aktivni tektonski pokreti duž uzdužnih i poprečnih rasjednih linija, erupcije vulkana, obrušavanje stijena u podzemnim kanalima, pad meteorita i dr. [4]

Slika 1. Posljedice zemljotresa magnitude 9 po Rihterovoj skali popraćenog cunamijem visine 30 m (Japan 11.03.2011) [5]

Slika 2. Način nastanka cunamija [6]

Pri pojavi potresa razlikuje se hipocentar ili centar potresa kao mjesto začetka i početnog pokreta i udara potresa u dubini Zemljine kore do 60 km, a rjeđe i do 700 km dubine. Epicentar je mjesto neposredno iznad hipocentra na površini zemlje s najjačim udarom. U epicentru potresa javljaju se vertikalni udari sa spuštanjem i izdizanjem tla (tzv. sukusorno kretanje), a dalje u okolini udari se javljaju u obliku valova, ili valne oscilacije (tzv. undulatorno kretanje). Kod valova se razlikuje amplituda kao visinska razlika između njegovog dna i vrha, valna dužina koja obuhvaća brijeg i dolinu valova, valni period vrijeme za koje val prijeđe valnu dužinu, i brzina prostiranja vala. Pojava potresa sastoji se od: prethodne faze s tutnjavom i manjim udarima (prva prethodnica s bržim longitudinalnim valovima i druga prethodnica sa sporijim transverzalnim valovima), glavna faza sa najjačim udarima i završne faze sa slabijim udarima, podrhtavanjem i tutnjavom. Tim potresima stvaraju se oblici reljefa (pukotine duge i preko 600 km, široke preko 10 m i dr.). [7]

Generalno posmatrano postoje dva tipa seizmičkih talasa: zapreminski, koji se prostiru kroz cijelu zemljinu unutrašnjost i površinski, koji se prostiru kroz plitak sloj pri slobodnoj zemljinoj površi. Zapreminski talasi prostiru se brže od površinskih a manifestuju se kao dva tipa - longitudinalni i transverzalni. Longitudinalni talasi imaju 73 % veću brzinu prostiranja od transverzalnih i označavaju se kao primarni (P) talasi, dok se transverzalni talasi označavaju kao sekundarni (S) talasi. Oba talasa uzrokuju da čestice u posmatranom tijelu osciliju oko njihovog položaja ravnoteže, ali su ta oscilovanja različita. Za vrijeme prolaženja longitudinalnih talasa čestice sredine osciluju u pravcu prostiranja talasa, analogno akustičnim oscilacijama. U slučaju nailaska transverzalnih talasa, čestice sredine osciluju u ravni upravnoj na pravac prostiranja talasa, analogno prostiranju svjetlosti ili elektromagnetnim talasima. Zahvaljujući ovim osobinama, longitudinalni talasi prilikom prostiranja kroz materiju mijenjaju njen oblik i zapreminu, a time i gustinu, dok prilikom prolaska transverzalnih talasa ne dolazi do promjene zapremine materije, već se jedino mijenja njen oblik. Više različitih tipova seizmičkih talasa registruje se na seizmogramima. Oni se mogu raspoznati, jer je svaki okarakterisan posebnom brzinom, različitim putanjama ili određenim pravcem oscilovanja u odnosu na pravac prostiranja talasa. [8]

Slika 3. Vrste seizmičkih talasa [9]

Slika 4. Elementi zemljotresa [10]

Podjela zemljotresa:

1. Prema uzrocima pojave: tektonski (najčešći i najjači trusovi izazvani tangencijalnim i radijalnim tektonskim pokretima), vulkanski (snažni i razorni potresi pri vulkanskim erupcijama), urvinski (slabiji lokalni trusovi zbog rušenja i obrušavanja zidova i tavanica podzemnih kanala i pećina), i meteorski (potres izazvan udarom meteorita – u Sibiru 1908. Osjetio se na daljini 5200 km)

2. Prema mjestu pojave – kopneni i podmorski (podmorski izazivaju morske valove visoke do 40 m, prelaze okeane brzinom do 900 km/h); (Tsunami – 26.12.2004. Indijski okean)

3. Prema pravcu prostiranja – centralni (kružnim oblikom zahvaćene oblasti), lateralni (elipsastog oblika) i linearni ili aksijalni (izduženi oblik duž tektonskih rasjeda)

4. Prema načinu opažanja – makroseizmi se čulno opažaju, a mikroseizmi instrumentima. Mikroseizmi se dijele na teleseizmičke pokrete izvan makroseizmičkih oblasti i mikroseizmičke oscilacije slabih trusova

5. Prema energiji i veličini prostiranja – lokalni (primjećuju se čulno do 200 km, a instrumentima do 500 km udaljenosti), mali (čulno se osjećaju do 600 km, a instrumentima do 5000 km), srednji (čulno se osjećaju od 300 do 1000 km, a instrumentima do 10 000), veliki (čulno se osjećaju preko 500 km, a instrumentima do 12 000), i svjetski (čulno se osjećaju do 2000 km, a instrumentima do 20 000 km)

6. Prema veličini ubrzanja trusnih valova. Međunarodna skala jačine potresa kreće se od I do XII stepeni, prema jačini udara i potresa. Prvi stepen je čulno neprimjetan dok je XII katastrofalan. Od njega se ruše sve građevine, mijenja se reljef, nastaju i nestaju jezera, nastaju u reljefu ogromne pukotine, riječni tokovi mijenjaju pravac i dr. [11]

Seizmologija

Seizmologija predstavlja ogranak geofizike kao šire naučne discipline, izučava složeneprocese koji uslovljavaju pripremu i genezu zemljotresa, zatim procese stvaranja i prostiranjaseizmičkih talasa kroz Zemljinu unutrašnjost, tektonske procese u žarištu zemljotresa, mehaničke efekte dejstva seizmičkih talasa na tlu i građevinskim objektima itd. Seizmologija se bavi i utvrđivanjem parametara seizmičkog hazarda (seizmičke opasnosti) širih regiona, zatim seizmičkom mikrorejonizacijom manjih prostora kao što su lokacije građevinskih objekata, izučavanjem mogućnosti prognozejakih zemljotresa, stvaranjem i kretanjem cunami talasa (velikih talasa koje generišu podvodni zemljotresi) itd. Ukratko, seizmologija je nauka o zemljoresima, a ime je dobila od grčkih riječi seismos - potres i logos - nauka.Seizmologija, kao posebna naucna disciplina, nastaje pojavom prvih instrumenata zaregistrovanje zemljotresa. Prvi kvalitativni instrumentalni zapisi zemljotresa (seizmogrami)registrovani su u XIX vijeku. Na teritoriji Balkana prva instrumentalna registracija zemljotresa izvršena je jos 1882. godine, kada je u Zagrebačkoj meteorološkoj opservatoriji instaliran jedan mehanički seizmograf. Nešto kasnije, tačnije, 1904. godine, započeta su instrumentalna seizmološka posmatranja u Sarajevu, a u Beogradu su posmatranja započeta 1906. godine, dok je u Podgorici seizmološka stanica formirana 1960. godine. [12]

Slika 5. Seizmotektonska karta teritorije BiH [13]

Mjerenje jačine i intenziteta zemljotresa

Seizmograf (grč. σεισμός: potres + graf), mjerni instrument kojim se mjere i bilježe pomaci tla tijekom potresa. Glavni je dio seizmografa njihalo, koje služi kao osjetilo pomaka tla i koje zbog inercije nastoji održati stanje mirovanja za potresa, dok se kućište slobodno giba, te se bilježi razlika njihova međusobnoga položaja. Uređajem za mirenje prigušuju se slobodne oscilacije njihala. Mehaničke seizmografe naslijedili su elektromagnetski, kod kojih se njihalo sa zavojnicom giba u stalnom magnetnom polju kućišta te tako inducira električni napon a električni se signal pohranjuje na memorijsku jedinicu. Kako bi se na temelju seizmograma moglo potpuno rekonstruirati gibanje tla, seizmografi istodobno bilježe tri međusobno okomite komponente gibanja tla. [14]

Slika 6. Princp rada seizmometra [15]

Slika 7. Snimanje seizmičkog signala [16]

Utvrđivanje jačine zemljotresa

Jačina zemljotresa mjeri se raznim skalama. Najviše u upotrebi su Rihterova i Merkalijeva skala. Rihterova skala dijeli zemljotrese prema količini energije (magnitudi) koja se oslobodi u hipocentru (žarištu) zemljotresa. Merkalijeva skala (od 1 do 9) i Rihterova skala (od 1 do 12) se ne mogu porediti po tome koja je "jača" a koja "slabija", jer daju potpuno različite podatke. Rihterovom skalom zemljotresi se dijele po količini energije koja se oslobodi u hipocentu zemljotresa, znači tamo gdje se on desi u zemljinoj kori, dok se Merkalijevom skalom dijele po ubrzanju tačaka površine tla koje se dešava na mjestu mjerenja. Stoga jak zemljotres od 6 "Rihtera" može da bude i tek 5-6 stepeni Merkalija, ako se desi na dubini od 500 km npr. A isto tako zemljotres od 4 Rihtera može da izazove razaranja kao 8-9 ti stepen Merkalija, ako se desi plitko, na dubinama do 100km npr. [17]

Rihterova skala

Ljestvicu je 1935. godine definisao američki seizmolog Charles F. Richter. Poznata je i kao skala lokalne magnitude, ML. Koristi se kao mjera količine oslobođene energije u hipocentru, prilikom nastanka zemljotresa. To je logaritamska skala, određena na osnovu računanja logaritma horizontalne amplitude najvećeg pomjeraja i nulte amplitude, na horizontalnom torzionom seizmometru tipa Vud-Anderson. Tako, na primjer, zemljotres magnitude 5 stepeni Rihterove skale ima amplitudu pomjeraja koja je 10 puta veća od amplitude potresa magnitude 4 stepena. Granica određivanja lokalne magnitude je oko 6.8. Iako se i dalje koristi, Rihterova skala zamijenjena je skalom magnitude momenta koja u opštem slučaju daje iste vrijednosti. [18]

Magnituda je relativna mjera oslobođene energije u zemljotresu. To je neimenovan broj, a uobičajene vrijednosti magnitude nalaze se u granicama 1 - 9, iako je skala magnitude otvorena i sa gornje i sa donje strane. Veoma slabi zemljotresi mogu imati i negativnu magnitudu (pošto je magnituda definisana logaritamskom funkcijom). Dakle, magnituda je ekvivalentna energetska mjera zemljotresa vezana za njegovo žarište, što znači da ne zavisi od dubine hipocentra. U čast seizmologa Rihtera (Charls Richter), koji je 1935. godine matematički definisao magnitudu kao energetsku mjeru dogođenog zemljotresa, ovaj parametar zemljotresa se naziva i Rihterova magnituda. [19]

Slika 8. Grafički prikaz Rihterove skale [20]

Merkallijeva skala

Intenzitet zemljotresa izražava stepen površinskih efekata zemljotresa - na građevinskim objektima, tlu i ljudima. Izražava se cjelobrojnim skalama od I do XII stepeni za tzv. Merkalijevu (Mercali - Cancani - Siebergovu) skalu, ili kratko MCS, kao i ekvivalentne, ali znatno detaljnije skale: EMS-98 (Evropska Makroseizmička Skala iz 1998. godine), odnosno MSK-64 (Medvedev - Sponhauer - Karnik skala definisana 1964. godine). Skala intenziteta u opsegu I-IX stepeni je tzv. Japanska skala i td. Skale intenziteta su opisne i tekstualno izražavaju efekte zemljotresa na zemljinoj površi. U donjoj tabeli prikazani su osnovni elementi EMS-98 skale. Intenzitet zemljotresa na zemljinoj površi značajno zavisi od dubine žarišta zemljotresa (dublji hipocentar sa istom magnitudom znači manji intenzitet na površi tla i obrnuto), ali i od rastojanja tačke posmatranja do epicentra. Površi koje u široj oblasti epicentra obuhvataju zone sa istim stepenom dogođenog intenziteta nazivaju se izoseistama zemljotresa. [21]

Slika 9. Merkallijeva skala intenziteta zemljotresa [22]

Potresi u BiH zabilježeni u zadnjih 60 dana

Zabilježeni potresi u zadnjih 60 danadatum vrijeme epicentar magnituda intenzitet09.04.2019. 01:28 Sarajevo 2.5 III

14.03.2019. 21:41 Prozor 3.3 IV

Slika 10. Zabilježeni potresi u BiH u zadnjih 60 dana [23]

Zaključak

Zemljotres, potres ili trus, to su nagli, iznenadni i kratkotrajni pokreti slojeva Zemljine kore, koji u obliku udara, valova, drhtanja i tutnjave izazivaju potrese. Trajanje razorne snage potresa je od nekoliko sekundi do najviše jedne minute. Seizmologija kao nauka ali i načini mjerenja snage i intenziteta zemljotresa u znatnoj mjeri nam pomažu kako bi mogli predvidjeti moguće zemljotrese i odrediti njihovu jačinu.

Literatura:

[1] Saraò, A., Clocchiatti, M., Barnaba, C., & Zuliani D. (2016). Korištenje arduino seizmografa za podizanje svijesti o opasnosti od potresa kroz multidisciplinarni pristup. Pisma seizmoloških istraživanja, 87(1), str. 186-192. Preuzeto sa https://sci-hub.tw/10.1785/0220150091

[2] Ringler, A., Storm, T., Gee, L. S., Hutt, C. R., & Wilson, D. (2014). Procjene nesigurnosti u širokopojasnoj osjetljivosti seizmometra koristeći mikroseizme. Časopis seizmologije. 19(2) str. 317-327. Preuzeto s https://sci-hub.tw/10.1007/s10950-014-9467-7

[3] Federalni hidrometeorološki zavod BiH. Preuzeto s http://www.fhmzbih.gov.ba/latinica/SEIZMO/Skarakteristike.php

[4] Preuzeto s http://www.znanje.org/i/i25/05iv02/05iv0210/zemljotresi%201.htm

[5]https://www.google.com/search?q=japan+zemljotres+2011&tbm=isch&tbs=rimg:CQFAYRmQOt2VIjhMXBJAxXl0abxUqeyXGqyfHBT2FjnJFMygJ245npg_1LcVz4ThUYRNn9dD0pKoAH9mFeXwgqaoBWCoSCUxcEkDFeXRpEXf4NjX2yHSWKhIJvFSp7JcarJ8RH8GQSs4_1EdgqEgkcFPYWOckUzBEyeEISCvmWMSoSCaAnbjmemD8tEYcpwmEn_1_1CrKhIJxXPhOFRhE2cRC0a-k0fSshYqEgn10PSkqgAf2RFgW8iRqKDFxCoSCYV5fCCpqgFYEQ0sRdzDNKVx&tbo=u&sa=X&ved=2ahUKEwiDipbbs_DhAhXSbVAKHdIBB7QQ9C96BAgBEBs&biw=1920&bih=920&dpr=1#imgdii=Nml9vR35ZDMzHM:&imgrc=DQH0Rn28TrfLTM

[6]https://www.google.com/search?q=elementi+zemljotresa&tbm=isch&tbs=rimg:Cc8z8am5YeiaIjh9Ih0AlJrhVl-_1E9SkyNSceP2wK8zL-AON_1n_1gw5q_133W58q0Wlpu9H7kdimm7hZp7xXM9M6yt5SoSCX0iHQCUmuFWEWBs-n48K4WoKhIJX78T1KTI1JwRAzOkzvVSf44qEgl4_1bArzMv4AxGyGDkjEbxCHyoSCY3-f-DDmr_1fEbdgERMUTlaYKhIJdbnyrRaWm70Ry3gUHWL56QkqEgkfuR2KabuFmhFPh0MQpXbS8ioSCXvFcz0zrK3lEa7iGoM40Baz&tbo=u&sa=X&ved=2ahUKEwjXve2iu_DhAhWFJFAKHXRmAEUQ9C96BAgBEBs&biw=1920&bih=920&dpr=1#imgrc=zzPxqblh6JpuYM

[7] Preuzeto s http://www.znanje.org/i/i25/05iv02/05iv0210/zemljotresi%201.htm

[8] Zavod za hidrometeorologiju i seizmologiju. Preuzeto sa http://www.seismo.co.me/questions/11.htm

[9] https://www.google.com/search?biw=1920&bih=920&tbm=isch&sa=1&ei=cWvEXPyBIIOYkwXv6ZmYDw&q=P+WAWE+S+WAWE&oq=P+WAWE+S+WAWE&gs_l=img.3...39429.54679..55158...14.0..0.98.2217.25......1....1..gws-wiz-img.....0..0j35i39j0i30.tWG2dJtHi4Q#imgrc=8EwSlV26byzRTM

[10] https://www.google.com/search?q=elementi+zemljotresa&tbm=isch&tbs=rimg:Cc8z8am5YeiaIjh9Ih0AlJrhVl-_1E9SkyNSceP2wK8zL-AON_1n_1gw5q_133W58q0Wlpu9H7kdimm7hZp7xXM9M6yt5SoSCX0iHQCUmuFWEWBs-n48K4WoKhIJX78T1KTI1JwRAzOkzvVSf44qEgl4_1bArzMv4AxGyGDkjEbxCHyoSCY3-f-DDmr_1fEbdgERMUTlaYKhIJdbnyrRaWm70Ry3gUHWL56QkqEgkfuR2KabuFmhFPh0MQpXbS8ioSCXvFcz0zrK3lEa7iGoM40Baz&tbo=u&sa=X&ved=2ahUKEwjXve2iu_DhAhWFJFAKHXRmAEUQ9C96BAgBEBs&biw=1920&bih=920&dpr=1#imgrc=az8uXLBVefaNwM

[11] Preuzeto s http://www.znanje.org/i/i25/05iv02/05iv0210/zemljotresi%201.htm

[12] Preuzeto s http://www.df.uns.ac.rs/files/200/martin_mihailovic_-_diplomski_rad_(d-559).pdf

[13] Federalni hidrometeorološki zavod BiH. Preuzeto s https://www.fhmzbih.gov.ba/latinica/SEIZMO/Skarakteristike.php

[14] Preuzeto s http://www.enciklopedija.hr/natuknica.aspx?ID=55207

[15] i [16] Preuzeto s https://www.seis-insight.eu/en/public-2/planetary-seismology/how-a-seismometer-works

[17] i [18] https://www.scribd.com/doc/44637006/Rihterova-i-Merkalijeva-Skala-Potresa

[19] Zavod za hidrometeorologiju i seizmologiju. Preuzeto s http://www.seismo.co.me/questions/3.htm

[20]https://www.google.com/search?rlz=1C1GCEA_enBA837BA837&biw=1366&bih=608&tbm=isch&sa=1&ei=gpnEXJf9EdC5kwXyrYuwDA&q=rihterova+skala+graficki+prikaz&oq=rihterova+skala+graficki+prikaz&gs_l=img.3...130366.133494..133672...1.0..0.137.1783.7j10......1....1..gws-wiz-img.......0i30.bQC6i6PW4nc#imgrc=JuI4bQcW4lz6xM

[21] i [22] Zavod za hidrometeorologiju i seizmologiju. Preuzeto s http://www.seismo.co.me/questions/3.htm

[23] Federalni hidrometeorološki zavod BiH. Preuzeto s http://www.fhmzbih.gov.ba/latinica/SEIZMO/potresi.php