Ondas sismicas

Sismología

La Sismología es la ciencia que estudia los aspectos relacionados con la recurrencia de temblores de tierra, terremotos o sismos, es decir, a través de estos, su distribución espacio temporal, mecanismos en el foco y liberación de energía, pone de manifiesto los procesos dinámicos que están sucediendo en la Tierra. Asimismo, el estudio de la propagación de las ondas producidas por los terremotos nos da información sobre su estructura interior, las regiones que la forman y la distribución de la densidad y de las constantes elásticas que presenta.

La propagación de las ondas producidas por los terremotos está determinada por la mecánica de los medios elásticos y, por tanto, sus velocidades dependen de las características elásticas del medio, cuya distribución puede estudiarse mediante la observación de los tiempos de recorrido y amplitudes de estas ondas. Las soluciones obtenidas para las ondas elásticas representan dos tipos de ondas (llamadas internas o de volumen) que se propagan con distinta velocidad. Las de mayor velocidad, y por tanto las primeras en llegar, son las llamadas ondas P, que corresponden a ondas longitudinales. Las segundas en aparecer, debido a su menor velocidad, son las ondas S, que tienen carácter transversal.

El estudio de estas ondas se realiza mediante las leyes de la reflexión y refracción, ya que la Tierra está formada por capas de distinto material. Sus trayectorias y tiempos de llegada se determinan, bien considerando capas planas, cada una de velocidad constante o aumentando con la profundidad.

Amisaday (discusión)

Las ondas y el medio elástico

Una onda es una perturbación que se propaga desde el punto en que se produjo hacia el medio que rodea ese punto. Las ondas materiales, las cuales son todas exeptuando las electromagnénicas, requieren de un medio elástico para propagarse.

El medio elástico se deforma y se recupera vibrando al paso de la onda. La perturbación comunica una agitación a la primera partícula del medio en que impacta, a este se le denomina como el foco de las ondas y en esa partícula se inicia la onda.

La perturbación se transmite en todas las direcciones por las que se extiende el medio que rodea al foco con una velocidad constante en todas las direcciones, siempre que el medio sea isótropo (de iguales características físico- químicas en todas las direcciones). Todas las partículas del medio son alcanzadas con un cierto retraso respecto a la primera y se ponen a vibra. El movimiento de cada partícula respecto a la posición de equilibrio en que estaba antes de llegarle la perturbación es un movimiento vibratorio armónico simple. Una onda transporta energía y cantidad de movimiento pero no transporta materia. Las partículas vibran alrededor de la posición de equilibrio pero no viajan con la perturbación.

Amisaday (discusión)

Origen de los terremotos o sismos

Gracias a la sismología se tiene el conocimiento de la estructura interna de la tierra, los cuales son importantes recordar para entender a los terremotos. De forma simplificada, el planeta esta conformado por un núcleo, hecho principalmente de metales como el hierro y el níquel; después, está el manto, compuesto de silicatos base de sodio, calcio y potasio; por último, se tiene a la corteza terrestre, que es la capa de roca más externa de la tierra.

Parte interna del planeta Tierra.

Cierta zona de la tierra, la cual es la corteza terrestre y parte exterior del manto, puede considerarse como un cuerpo rígido "flotando" en el resto del manto en donde pueden ocurrir movimientos como si se tratara de un fluido. Sin embargo, la semejanza a la naturaleza de un fluido solo es correcta cuando se consideran tiempos muy extensos (tiempos geológicos).

La litósfera (el cascarón exterior del planeta) está conformado por varias "placas" que hacen contacto entre sí, lo cual hace que esta parte de la tierra no sea continua sobre su superficie. Las placas se mueven relativamente entre ellas gracias a que, a lo largo de estas, se aplican fuerzas que se cree que se generan por las corrientes de convección dentro del planeta. Este movimiento relativo ocurre cuando surge más litósfera en los margenes de las placas o cuando las placas se enciman unas con otras (esto último de conoce como subducción).

Las corrientes de convección se manifiestan normalmente en fluidos como el agua, pero hay que recordar que parte de la tierra puede ser considerada como un fluido si se toman tiempos extensos.

Litósfera. Una placa se superpone a otra (subducción).

Claramente, las placas no son lisas; cuando dos de ellas entran en contacto tratan de detenerse mutuamente con las fuerzas de fricción, pero a medida que la fuerza de tensión sigue aumentando se libera el movimiento. Este movimiento no es continuo; las placas trataran de detenerse en todo su trayecto y las fuerzas de tensión aumentarán haciendo que vuelvan a moverse. La liberación repentina de esfuerzos impuestos al terreno genera los temblores alrededor de la región. Los planos de deslizamiento entre placas se llaman fallas y el lugar donde comienzan provocando el temblor se llama foco; la proyección de este último en la superficie terrestre se llama epicentro.

Foco y epicentro de un terremoto cuasado por la falla de dos placas.

La zona donde se tocan las placas se llama zona de Wadati-Benioff.

Gustavo.uami12 (discusión) 01:31 8 jul 2020 (CDT)

Ondas internas

Las ondas internas son las que se transmiten en el interior de la tierra. Estas ondas se estudian como las que se propagan en cuerpos sólidos (ya que esta zona de la tierra es considerado como un sólido elástico). Se pueden transmitir de dos maneras: a través de ondas P u ondas S. Las diferencias de densidad en distintas zonas de la tierra provoca que la trayectoria de estas ondas no sea lineal; las trayectorias siguen curvas a través del interior del planeta.

Trayectoria de las ondas internas (P y S) formando curvas en el interior del planeta.

Este tipo de ondas pueden llegar a la superficie provocando las ondas superficiales.

Gustavo.uami12 (discusión) 19:26 8 jul 2020 (CDT)

Ondas P

Se transmiten a través de perturbaciones y rarefacciones, es decir, las partículas del medio se mueven en la dirección en la que se propaga la onda; también se les conoce como ondas de comprensión. Las ondas P son 1.7 más rápidas que las ondas S; su velocidad esta dada por:

$ v_{p} = \sqrt{{k + {3 \over 4}{\mu}} \over \rho} $

Onda P en una sección de tierra.

Donde $v_{p}$ es la velocidad de la onda P; $k$ es el módulo de comprensibilidad; $\mu$ es el módulo de rigidez y $\rho$ es la densidad del medio. En este caso, la roca de la tierra es la que sufre las comprensiones y rarefacciones.

Gustavo.uami12 (discusión) 19:25 8 jul 2020 (CDT)

Ondas S

Aquí, las partículas del medio se mueven en la dirección en la que se propaga la onda; también se le conocen como ondas de comprensión. Son más lentas que las P; su velocidad está dada por:

$ v_{s} = \sqrt{{\mu} \over \rho} $

Las variables tienen el mismo significado que en las ondas P. 

El movimiento transversal lo realiza la sección de roca a la que le llega la perturbación, es decir, la roca se moverá de arriba a abajo o de lado a lado.

Onda S en una sección de tierra.

Gustavo.uami12 (discusión) 01:31 8 jul 2020 (CDT)

Ondas superficiales

En la superficie libre de la Tierra y en otras discontinuidades de la corteza, se producen otro tipo de ondas que por propagarse a lo largo de estas superficies reciben el nombre de ondas superficiales. Estas ondas se propagan con velocidades inferiores a las de la onda S y su amplitud decrece con la profundidad. De estas ondas existen dos tipos: unas son las llamadas ondas Rayleigh, de movimiento vertical, y otras, las ondas Love, de movimiento horizontal, nombres que corresponden a los dos científicos ingleses del siglo XIX.

En su origen, las primeras determinaciones del punto donde se produce el terremoto (foco o hipocentro) y su proyección sobre la superficie (epicentro) se basan en el estudio de la distribución de los daños producidos en los edificios, en el terreno o en las personas, y sitúan el epicentro en la zona de mayor daño (epicentro macrosísmico). Admitido el carácter puntual del foco sísmico, la localización de un terremoto viene definida por cuatro parámetros: hora, origen, coordenadas geográficas del epicentro y profundidad del foco. El primer modelo mecánico que definiese el origen de los terremotos fue propuesto por H.F. Reid en 1911 con la teoría del rebote elástico, según la cual las deformaciones elásticas se van acumulando hasta que se supera la resistencia del material, produciéndose una fractura y una liberalización de las deformaciones acumuladas. Amisaday (discusión)

Ondas de Rayleigh

La existencia de las ondas de Rayleigh se predijo en 1885 por Lord Rayleigh quien a su vez diseñó matemáticamente el movimiento de ondas planas en un espacio seminfinito elástico

Amisaday (discusión)

Ondas de Love

Son el resultado de muchas ondas S que subieron a la superficie e interfirieron entre sí. Estas ondas son las causantes del movimiento lateral del suelo durante los terremotos; la suma de las ondas S dan movimientos periódicos hacia arriba y abajo, pero también de derecha a izquierda. Son más lentas que las ondas S y P pero más rápidas que las ondas de Rayleigh. Su amplitud y fuerza va bajando conforme a la profundidad de la zona en la que se estudia, en concreto disminuye en la razón:

$1 \over \sqrt{r}$

Donde $r$ representa la distancia que hay desde el el origen del terremoto hasta punto que la onda ha recurrido. A pesar de esta pérdida de fuerza con la distancia, los mayores terremotos han causado ondas de Love que pueden rodear al planeta muchas veces antes de desaparecer. Este tipo de ondas no se amortiguan con facilidad; es por eso que pueden llegar a ser muy destructivos en el epicentro.

Augustus Edward Hough Love

Onda de Love en una sección de la tierra.

Las ondas de Love se llaman así en honor a Augustus Edward Hough Love, quien fue quien las predijo matemáticamente en 1991

Gustavo.uami12 (discusión) 01:31 8 jul 2020 (CDT)

Sismógrafos y magnitud de los sismos

El instrumento que se usa para medir los movimientos de la tierra se le denomina sismógrafo. Este instrumento consiste en un sensor, llamado sismómetro que detecta el movimiento del suelo. Este último componente está conectado a un sistema de registro.

La idea básica de un sismómetro sencillo que mide los movimientos verticales del suelo puede ser vista como un peso suspendido y conectado a un resorte que este a su vez está conectado a una base que se mueve con los movimientos de la tierra. El movimiento relativo entre el peso y la base proporciona una medida del movimiento vertical de la tierra. El sistema de registro consiste en un tambor que gira en la base y un marcador acoplado a la masa. El movimiento relativo entre el peso y la base se registra en el tambor a través de unos registros sísmicos, al cual se conoce como sismograma.

Sismograma.

Modelo de sismógrafo simple de Incorporated Research Institutions for Seismology

Actualmente, los sismógrafos son electrónicos; en vez de pesas y bases usan voltajes eléctricos registrados en una computadora. Los que son usados en estudios de terremotos son sumamente sensibles a los movimientos de la tierra (pueden llegar a detectar movimientos de 1/10.000.000 de centésima en lugares quietos) Los terremotos más fuertes, como el de las islas Sumatra - Andaman de magnitud 9.1 que ocurrió en el 2004, causan movimientos terrestres alrededor del planeta que pueden llegar a tener varios centímetos de crecimiento.

Tereemoto de Sumatra en 2004. Generó el tsunami más devastador jamás registrado

Tsunami causado por el terremoto en Sumatra.

Con la ayuda de los sismógrafos y sismogramas se han desarrollado modelos matemáticos para establecer escalas de medición de la energía liberada por los terremotos.

Gustavo.uami12 (discusión) 19:24 8 jul 2020 (CDT)

Escala sismológica de Richter

Es una escala (de tipo logarítmica) usada para cuantificar en un número la energía liberada por los sismos. Fue nombrada así en honor al sismólogo Charles Francis Richter quien fue el que la desarrolló en colaboración con Beno Gutenberg en 1935. También reciben el nombre de escala $M_{L}$.

Los números de esta escala se obtienen analizando los datos obtenidos en el sismógrafo. En un terremoto, primero llegan las ondas P y después de un tiempo ${\delta}t$ aparecen las ondas S. Esa diferencia de tiempo ${\Delta}t$ entre la llegada de las ondas y la amplitud máxima $A$ de las ondas S son los números que se utilizan para calcular el número representativo, el cual es constante para los sismos que liberan la misma cantida de energía. La fórmula es:

$M=\log _{10}A+3\log _{10}(8\Delta t)-2.92=\log _{10}\left({A\cdot \Delta t^{3} \over 1.62}\right)\,\!$

Datos de un sismográma que se utilizan para medir la escala de un sismo.

Donde $M$ representa la magnitud del terremoto; $A$ es la amplitud máxima de las ondas, y ${\Delta}t$ es el tiempo transcurrido desde el inicio de las ondas P hasta el de las ondas S. Las valores constantes de las fórmulas fueron conseguidad por Ritcher cuando estudiaba los datos de los simógrafos que se obtenían de los simos que oocurrían en el sur de California.

El logaritmo utilizado en la fórmula hace que los valores de $M$ determinado por los datos agregados en la fórmula aumenten o disminuyan de forma logarítmica y no de forma lineal. La naturaleza de la fórmula matemática muestra teóricamente que las magnitudes no tienen mínimo o máximo, lo cual implica que se pueden llegar a medir magnitudes negativas de sismos. Los sismógrafos más sensibles pueden llegar a detectar magnitudes negativas.

Para introducir el logaritmo, Ritcher se baso en la escala estelar para medir el brillo de las estrella.

En la sismología mundial, se utiliza esta escala para terremotos de magnitud entre 2,0 hasta 6,9 y de profundiadad no mayor a 400 km. Para mgagnitudes mayores a 6.9 se suele utilizar la escala sismológica de magnitud de momento ya que es más precisa para energías mucho mayores. En ocasiones, los medios mal interpretan los datos diciendo, por ejemplo, terremoto de magnitud 8.0 en la escala de Ritcher en..., cuando en realidad, a partir de números mayores a 6.9 las magnitudes se registran utilizando la escala sismológica de magnitud de momento.

Gustavo.uami12 (discusión) 18:27 8 jul 2020 (CDT)

Escala sismológica de magnitud de momento

También se le llama escala $M_{W}$ y es la escala sucesora de la de Ritcher. Es superior a esta debido a que es más precisa cuando se miden cantidades muy grandes en terremotos que liberan una gran cantidad de energía. Fue desarrollada por Thomas C. Hanks y Hiroo Kanamori en 1979.

La ventaja de esta escala es que no se satura con valores de energía muy grandes; además de eso, también coincide sus valores con los de otras escalas (por ejemplo, sus magnitudes coiciden y continuan con los de la escala de Richter). Las centros sismológicos como National Earthquake Information Center usan esta escala para terremotos muy fuertes.

Como en los otros modelos, la magnitud conseguida de este es un número que representa de forma resumida la energía liberada por un sismo. Su fórmula esta dada por:

$M_{W}={2 \over 3}({\log_{10}({M_{0} \over N*m})-9.1)}$

En donde $M_{0}$ es la cantidad de energía liberada por el terremoto, la cual esta en unidades de $N*m$. Es decir, la fórmula anterior es una conversión de $M_{0}$ a un número escalar en el cual se pueda entender mejor la magnitud de la energía liberada en escalas sísmicas. $M_{0}$ está dado por:

$M_{0} = {\mu}{A}{u}$

Donde $\mu$ es el módulo de deformación de las rocas que son afectadas por el sismo; $A$ es el área de ruptura a lo largo de la falla donde se originó el sismo; y $u$ es el desplazamiento promedio del área $A$.

Gustavo.uami12 (discusión) 19:19 8 jul 2020 (CDT)

Magnitud de los sismos

Los sismos más fuertes ocurren con mucha menor frecuencia. En cambio, el planeta sufre de miles de temblores que para las personas no llegan a ser perceptibles. La magnitud más alta registrada fue en el terremoto que ocurrio en la ciudad de Valdivia, en Chile, en el año 1960. No se han registrado magnitudes mayores.

Magnitud (ML para magnitud 2.0-6.9. MW para magnitudes Mayores de 6,9)	Denominación del sismo	Efectos en la superficie	Frecuencia
Menores a 2,0	Micro	No llegan a ser perceptibles.	Aproximadamente 8000 por día
2,0-2,9	Menor	Generalmente no son perceptibles.	Aproximadamente 1000 por día
3,0-3,9		Frecuentemente perceptibles, pero no llegan a producir daños.	49 000 por año.
4,0-4,9	Ligero	Llegan a mover objetos en las habitaciones de las construcciones. Significativo pero con pocas probabilidades de provocar daños.	6200 por año.
5,0-5,9	Moderado	Puede causar daños considerables en construcciones débiles o mal construidas. En construcciones bien diseñadas los daños menores o casi nulos.	800 por año.
6,0-6,9	Fuerte	Pueden llegar a destruir áreas pobladas, en hasta unos 160 kilómetros a la redonda.	120 por año.
7,0-7,9	Mayor	Puede causar serios daños en extensas zonas.	18 por año.
8,0-8,9	Épico o Cataclismo	Puede causar graves daños en zonas de varios cientos de kilómetros.	1-3 por año.
9,0-9,9		Devastadores en zonas de varios miles de kilómetros.	1-2 en 20 años.

Gustavo.uami12 (discusión) 18:27 8 jul 2020 (CDT)

Bibliiografía

• J.M. Espinola; Z. Jiménez (1994). Terremotos y ondas sísmicas. Una breve introducción.
• R. Madariaga (1989). Propagación de ondas sísmicas en el campo cercano.
• Incorporated Research Institutions for Seismology (2020). ¿Cómo trabaja un sismógrafo?
• Hanks, Thomas C.; Kanamori, Hiroo (1979). A moment magnitude scale.
• Utsu, Tokuji (2002). Relationships between Magnitude Scales.
• Hola