ONDAS SÍSMICAS Y FENÓMENOS ASOCIADOS CON LA FÍSICA

El presente post da a conocer la similitud entre la física y las ciencias de la Tierra, especialmente en el tema de ondas mecánicas y ondas sísmicas. Es importante destacar el conocimiento conceptual de los términos físicos de ondas, para poder entender los fenómenos que ocurren de forma natural y artificial de las ondas sísmicas.

INTRODUCCIÓN

El presente post, les ayuda a relacionar la física con ciencias de la Tierra, especialmente en el tema de ondas mecánicas. Las ondas comunes que se propagan en diferentes medios, se relacionan directamente con las ondas que se propagan en medio rocosos con diferentes densidades.
Las ondas sísmicas son oscilaciones o vibraciones que se propagan desde una fuente (foco o hipocentro) a través de un medio material elástico (solido y líquido) transportando energía mecánica. Estos tipos ondas, se clasifican en Corpóreas y Superficiales.
Las ondas sísmicas que son producidas de forma natural, ya que la misma Tierra es dinámica, es decir que se mantiene en movimiento constante, lo cual trae como consecuencia desplazamiento de las placas tectónicas y movimientos sísmicos. En este sentido, es importante destacar como se producen los terremotos y los diferentes lugares de la tierra donde han ocurrido este tipo de fenómenos y el porqué ocurren en dichos lugares.
Además de esas ondas sísmicas naturales, tenemos las ondas sísmicas artificiales producidas por la invención del hombre (en general por explosiones, por cañoneo o vibraciones terrestres por camiones vibroseis), con el propósito de explorar el subsuelo y también con la finalidad de hacer exploración geofísica.

PROPAGACIÓN DE ONDAS Y ONDAS SÍSMICAS

Las ondas sonoras en el agua y las ondas sísmicas son producidas por una perturbación del medio, generando un movimiento molecular en el que cada partícula golpea a la inmediata. Esto se observa también cuando un martillo golpea a un resorte por un lado (ver figura 1). En este caso los alambres se comunican entre ellos, moviéndose en la dirección del golpe.

Figura 1 Onda mecánica que se propaga en un resorte. Imágenes propiedad @germanmontero

Vídeo del resorte vibrando con golpe de martillo Imágenes propiedad @germanmontero

Después de ocurrir un sismo, las ondas se van a propagar en el interior de la Tierra de diferentes formas. En este sentido se debe saber la conceptualización de una onda, para poder entender la propagación de ondas sísmicas. Por ejemplo si una piedra cae en un tanque de agua, se observará claramente la propagación de una onda mecánica (figura 2a). Un fenómeno comparable a éste es el que ocurre en la Tierra al producirse un sismo, es decir, desde el foco o lugar de ruptura del equilibrio elástico se trasmiten ondas en todas las direcciones del interior de la superficie Tierra. Ahora bien estas ondas sísmicas poseen unas propiedades y características que se muestran en la figura 2b y su propagación se explica mediante el principio de Huygens, según el cual:
• Las ondas sísmicas emanan desde su origen en forma de esferas
• Cada punto de frente de onda origina una nueva onda que también se propaga en forma de esfera
• Las líneas perpendiculares a los frentes de ondas se denominan “rayos sísmicos” y son similares a los rayos de luz, y se usan para describir la dirección de propagación de la onda de manera más sencilla.

Figura 2a Figura 2b

Figura 2a. Movimiento ondulatorio de una piedra que cae en un tanque de agua. Figura 2b. Propagación del frente de ondas. Imágenes propiedad @germanmontero

TIPOS DE ONDAS Y ONDAS SÍSMICAS

Las ondas sísmicas se originan en puntos donde la tierra se mueve, por ejemplo en lugares donde hay fallas geológicas, unión entre placas tectónicas o por fenómenos de subducción. Tal es el caso de los terremotos de las masas ubicadas a lo largo de las fallas en el interior de la tierra, originan ondas sísmicas que se propagan en todas las direcciones a partir del lugar de origen, denominado foco o hipocentro.
La proyección vertical del foco o hipocentro sobre la superficie de la Tierra se denomina Epicentro (ver figura 3). En este punto el movimiento sísmico del suelo es mayor debido a la menor distancia entre éste y el hipocentro. Las vibraciones son menos intensas a medida que se alejan del epicentro, este fenómeno se puede comparar con el movimiento de una gota cuando cae en un estanque de agua .

Figura 3.Origen de la Ondas sísmica. Propiedad de @germanmontero

En otro sentido, las ondas se dividen en ondas internas (corpóreas) y ondas superficiales. Las ondas internas son aquellas que se propagan desde su origen (foco) hasta la superficie de la Tierra y están compuestas en ondas P y ondas S. Las ondas superficiales se clasifican en en ondas Rayling y ondas Love y se mueven cerca de la superficie somera de la Tierra.

Ondas Primarias (P):

Son las primeras en alcanzar la superficie terrestre (ver figura 4), son de tipo longitudinal que viajan en cualquier medio, a través de rocas sólidas y materiales líquidos. Se caracterizan por ser ondas de compresión, tal como ocurre en el efecto causado en un resorte cuando es golpeado por un martillo (figura 1). Además su efecto es similar a una estampida sónica que retumba y hace vibrar las ventanas.

Figura 4. Ondas P, compresionales. Simulación en la corteza terrestre. Propiedad de @germanmontero

Vídeo de la onda P viajando en el interior de la Tierra. Imágenes propiedad @germanmontero

Estas ondas generalmente viajan a una velocidad 1.74 veces de las ondas S y pueden viajar a través de cualquier tipo de material. Las velocidades típicas son del orden de 330m/s en el aire, 1450m/s en el agua y cerca de 5000 m/s en el granito. Estas ondas se mueven en dirección perpendicular a los estratos y su vibración es generalmente vertical en la superficie terrestre.

Ondas Secundarias (S):

Deriva su nombre debido a su menor velocidad de propagación en referencia a la onda P. El tipo de movimiento de las partículas es exactamente, perpendicular a la dirección de propagación de la onda (comúnmente también se denomina ondas transversales o de cizalla). Debido a su naturaleza de propagación, estas ondas no son capaces de transmitirse en medios fluidos, tales como medios líquidos o gaseosos, de tal modo que se encontrarán sólo en medios sólidos. (Ver figura 5). Como se ve en la figura estas ondas se mueven en forma de S, batiendo los estratos en forma horizontal, con respecto a la dirección de propagación, tal como lo indica la flecha de las figuras. Esto también se asemeja a la vibración de la cuerda de una guitarra.

Es posible calcular la velocidad de las ondas de corte a partir de la velocidad de las ondas compresionales aunque existe tecnología moderna que permite su medición directa en campo y/o en el laboratorio.

Figura 5. Ondas S, de corte o cizalla. Simulación en la corteza terrestre. Imagen del lado derecho:Propiedad de @germanmontero
Imagen del lado izquierdo Crédito: https://es.wikipedia.org/wiki/Onda_s%C3%ADsmica

Vídeo de la onda S viajando en el interior de la Tierra. Imágenes propiedad @germanmontero

Ondas superficiales

Las ondas superficiales son análogas a las ondas de agua y viajan sobre la superficie de la Tierra. Se desplazan a menor velocidad que las ondas de cuerpo (corpóreas). Estas ondas viajan guiadas por la superficie y las capas cercanas a la superficie, no penetran en el interior de la Tierra, debido a que se amortiguan muy rápido con la profundidad y son generadas por sismo de pequeña profundidad. Debido a su baja frecuencia, provocan resonancia en edificios con mayor facilidad que las ondas de cuerpo y son por ende las ondas sísmicas más destructivas. Estas ondas superficiales están compuesta por: ondas Rayleigh y ondas Love.

Ondas Rayleigh

Las ondas Rayleigh (ver figura 6), son ondas superficiales que provienen de las ondas S y que viajan como ondas que son similares a las olas del mar, pero en este caso ocurren en la superficie de la Tierra. Estas ondas fueron descubiertas por el profesor John William Strutt en el año 1887. El movimiento de las partículas tiene forma circular o elíptica, en sentido retardado, a la dirección de propagación.
Ondas Rayling.jpg

Figura 6. Ondas Rayleigh. Crédito imagen:

A. Olas: https://pixabay.com/es/mar-olas-agua-verano-costa-playa-2301304/ Imagen libre de uso
B. https://es.wikipedia.org/wiki/Onda_s%C3%ADsmica Imagen libre de uso

Ondas Love

Las ondas "Love" son ondas superficiales (ver figura 7), donde las partículas se mueven en forma horizontal y transversal en la tierra. Estas fueron explicadas por el matemático A.E.H. Love, en el año 1911. Estas ondas son un tipo de ondas S, se mueven en zigzag a profundidades someras de la superficie terrestre y se generan debido a que las ondas S se reflejan y refractan en los estratos rocosos produciendo un ligero aumento en ella, llegando así a la superficie. Las ondas Love se asemejan al desplazamiento de una serpiente.

Figura 7. Ondas Love. Crédito imagen Wikimedia https://es.wikipedia.org/wiki/Ondas_de_Love

AMORTIGUAMIENTO EN ONDAS Y ONDAS SÍSMICAS

El amortiguamiento en las ondas sísmicas es un fenómeno que ocurre por la atenuación de la onda con el medio de propagación, es decir que las ondas trasmitidas en la superficie del medio (el agua, la Tierra), van perdiendo energía a medida que se alejan de la fuente. Una de la consecuencia que se observa en el amortiguamiento es que a medida que se propaga la onda, aumenta el área que ésta abarca, pero la inicial es la misma. (ver figura 8 )

Figura.8. Amortiguamiento de ondas sísmicas. Imagen propiedad @germanmontero

Para ondas sísmicas artificiales (figura 9), se observa el amortiguamiento por perdidas de fricción, a medida que aumenta la distancia recorrida por la onda. Este fenómeno se presenta en las oscilaciones y vibraciones efectuadas por el movimiento en los resortes o también cuando se propaga una onda sonora en el aire.

Figura 9. Propagación de la onda sísmica artificial.Curva de amortiguamiento. Imagen propiedad @germanmontero

REFLEXIÓN Y REFRACCIÓN EN ONDAS Y ONDAS SÍSMICAS

La reflexión es una característica ondulatoria que se aplica en óptica, ondas mecánicas y también en ondas sísmicas.
En la figura 10 se representa la reflexión de una onda mecánica que se propaga debido a la caída de un objeto en el agua, encontrándose con un obstáculo (la pared) y reflejándose con el mismo ángulo de incidencia., cumpliendo con la ley de Snell.

Figura 10. Reflexión de una onda mecánica en el agua. Imagen propiedad @germanmontero

Cuando se detona explosivos en la superficie, o se hace vibraciones con los camiones especializados, se propaga una onda sísmica en la corteza terrestre partiendo de la fuente sísmica y pasando por capas (estratos) del subsuelo, en el cual la onda en parte se refleja y parte se transmite como onda refractada. Finalmente, este fenómeno se conoce como refracción en sísmica y se puede observar en la figura 11 y cumple con la segunda ley de Snell. (

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$Refraccion de onda.jpg$

Figura 11. Reflexión y Refracción de ondas sísmicas en el subsuelo. Imagen propiedad @germanmontero

La difracción sucede cuando una o varias ondas tropiezan un obstáculo en el camino. Un ejemplo de eso, son las olas del mar (ver figura 12a), que cuando viajan con una onda plana hacia la orilla, choca con un obstáculo "rompe olas", producen un frente de onda esférico. En la figura 12b se observa una onda sísmica viajando en el subsuelo, encontrándose un obstáculo (filo rocoso), produciendo un nuevo frente de onda esférico. En las prácticas de física se demuestra este fenómeno con el experimento de Young de la rendija y la doble rendija. Con este experimento se comprueba las prácticas de interferencia y de difracción de ondas.

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Figura 12. Fenómeno de difracción en ondas mecánicas (A) y sísmicas (B) Imagen propiedad @germanmontero

La imagen 12 A es una imagen libre de https://nn.wikipedia.org/wiki/Diffraksjon

REFERENCIAS

Estrada Luis (2012). Apuntes de Sismiologia. Universidad Nacional de Tucuman. Cátedra de Geofísica.
Giancoli Douglas (2008). Física para ciencias e ingeniería volumen 1. Editorial: Pearson/Prentice Hall. cuarta edición
Parasnis (1962) Principios de Geofísica Aplicada. Trad. Madrid, Editorial Paraninfo
Pereira Zoraida. (2002). Fundación Venezolana de Investigaciones Sismológicas. Funvisis.
Tippens Paul (2000). Física “Conceptos y aplicaciones”. Séptima edición. Editorial Mc Graw Hill
Tipler Paul, Mosca Gene (2005). Física para ciencia y Tecnología. Editorial Reverté Vol2
http://desdelacroa.blogspot.com/2013/02/historias-difraccion-y-reflexion.html

https://es.wikipedia.org/wiki/Onda_s%C3%ADsmica