Edukacja: Historia Sejsmologii – Kroki Milowe – Górnośląska Regionalna Sieć Sejsmologiczna

Chronologiczna historia sejsmologii

Postęp w sejsmologii w aspekcie poznania fizyki zjawiska trzęsienia ziemi, ochrony infrastruktury powierzchniowej przed drganiami oraz rozpoznania budowy wnętrza Ziemi wynikał z rozwoju podstaw teoretycznych ruchu falowego, skal intensywności sejsmicznej, aparatury pomiarowej i rozmieszczenia stacji sejsmicznych na kuli ziemskiej (jedna baza danych z rejestracji o wspólnej podstawie czasu) oraz rozwoju technik obliczeniowych. Sejsmologia jest generalnie młodą nauką i jej dynamiczny rozwój nastąpił po trzęsieniach ziemi w Lizbonie w 1755r oraz koło Neapolu w 1857r.

Kamienie milowe

Rok	Wydarzenie
132 n.e.	matematyk i astronom chiński Zhang Heng skonstruował pierwszy znany sejsmoskop, który wskazywał kierunek trzęsienia.
1618, 1621	Snell van Royen Willebrord, (Snellius) - formułuje prawo odbicia i prawo załamania światła. Jeżeli światło pada na granicę dwóch ośrodków to ulega zarówno odbiciu na powierzchni granicznej jak i załamaniu przy przejściu do drugiego ośrodka Kąt padania na granicę ośrodków jest równy kątowi odbicia.
1650	Pierre de Fermat sformułował zasadę zwaną zasadą Fermata, mówiącą, że promień świetlny poruszający się (w dowolnym ośrodku) od punktu A do punktu B przebywa najkrótszą możliwie drogę optyczną, czyli taką, na której przebycie potrzebuje minimalnego czasu.
1678	Christian Huyghens sformułował zasadę mówiącą, że każdy punkt w przestrzeni, do którego dociera fala, staje się źródłem nowej fali kulistej.
1760	John Mitchell po raz pierwszy połączył drgania podłoża spowodowane trzęsieniami ziemi z rozprzestrzenianiem się przez Ziemię fal sprężystych generowanych w ognisku.
początki lat 1800	Cauchy, Poissne, Stokes, Rayleigh opracowali teorię propagacji fal sprężystych i typy fal oczekiwane w ciałach stałych.
1857	John Mallet rozwinął teorię ogniska sejsmicznego, z którego fale sprężyste rozchodziły się we wszystkich kierunkach. Łączył występowanie trzęsień ziemi ze zmianami w skorupie ziemskiej. Badania opublikował po trzęsieniu ziemi koło Neapolu w 1857.
1872	George K. Gilbert zaczął wiązać trzęsienia ziemi z ruchem skał wzdłuż uskoku.
1874	powstała pierwsza skala intensywności drgań opracowana przez Rossiego. Intensywność sejsmiczną ocenia się w określonym miejscu na powierzchni. Wyraża ona opisane werbalnie uszkodzenia obserwowane w obiektach budowlanych lub przyrodzie oraz odczucia wstrząsów przez ludzi, wyrażane w stopniach - skala makrosejsmiczna.
1875	Filippo Cecchi skonstruował rejestrator sejsmiczny z nietłumionym wahadłem, Wyznaczał on czas rozpoczęcia trzęsienia.
1880	John Milne skonstruował sejsmograf do pomiarów drgań skorupy ziemskiej podczas trzęsienia Ziemi. Bezwładna masa zawieszona na sprężynie przymocowana jest do sztywnej ramy. Piórko rejestruje drgania na papierze obracającym się na bębnie.
1898	Emil Wiechert wprowadził pierwszy sejsmograf z tłumieniem lepkim, pozwalający na rejestrację całego trzęsienia ziemi.
1906	Richard Oldham przedstawił w artykule naukowym budowę Ziemi z jądrem w środku
1909	Andrija Mohorovic odkrył nieciągłość między skorupą a górnym płaszczem ziemi (nieciągłość Moho)
1910-1911	Francis Reid sformułował Elastic Rebound Theory (teorię odprężeń sprężystych), która jest klasycznym kanonem procesu wyzwolenia energii sprężystej i uskokowego modelu mechanizmu trzęsienia ziemi . Powolne długotrwałe odkształcenia prowadzą do kumulacji naprężeń i po przekroczeniu wytrzymałości materiału następuje rozerwanie i przesunięcie mas skalnych. Według teorii tektoniki płyt rozwiniętej w latach 1960-1970, naprężenia tektoniczne są ostatecznie związane z względnym ruchem płyt litosferycznych.
1912	Boris B. Golicyn skonstruował sejsmograf galwanometryczny, co pozwoliło na znaczne powiększenie amplitudy rejestrowanych drgań gruntu
1912	Alfred Wegener przedstawił hipotezę dryftu kontynentów, która głosi, że kontynenty przesuwają się, a w wyniku ich kolizji powstają wypiętrzenia w postaci łańcuchów górskich. jego prace były przyczynkiem rozwoju tektoniki płyt.
1912	skala Mercallego - 12-sto stopniowa skala intensywności drgań opracowana przez Mercallego-Cancaniego-Sieberga
1913	Beno Gutenberg zinterpretował odbicia fali sejsmicznej od granicy jądro-płaszcz i określił promień jadra Ziemi
1923	H. Nakano wprowadził teorię opisującą radiację sejsmiczną w wyniku działania podwójnej pary sił.
1926	Harold Jeffreys wykazał , że jadro Ziemi jest w stanie płynnym
1927	A.E.H. Love podał klasyczne rozwiązania dla rozkładu przemieszczeń pola sejsmicznego wywołanego działaniem siły skupionej - modele ognisk trzęsień Ziemi.
1935	Wprowadzenie pojęcia Magnitudy jako miary wielkości trzęsienia ziemi przez Charlesa Richtera. Magnitudą określa się logarytm dziesiętny maksymalnej wartości amplitudy A przemieszczenia powierzchni ziemi w odległości Δ od epicentrum, pomierzonej za pomocą sejsmografu standardowego (Wooda-Andersona) po odjęciu maksymalnej amplitudy zarejestrowanej podczas trzęsienia o magnitudzie zerowej w tej samej odległości Δ i na takim samym sejsmografie. Wprowadzenie pojęcia Magnitudy jest krokiem milowym , który pozwalał na obiektywne porównywanie wielkości trzęsień ziemi w różnych miejscach kuli ziemskiej, z wykorzystaniem wyników rejestracji drgań przez sejsmografy.
1936	Inge Lehmann odkryła wewnętrzne jądro Ziemi na podstawie rozchodzenia się fal sejsmicznych, spowodowanych trzęsieniem ziemi w południowej części Oceanu Spokojnego, w pobliżu Nowej Zelandii.
1943	opracowano siedmio stopniową japońską skalę intensywności drgań JMA
1950	wprowadzono sejsmometry elektromagnetyczne do pomiaru amplitud prędkości drgań.
1953	Norman A. Haskell opracował matematyczny model obliczeniowy powierzchniowych fal Rayleigha i Love'a w ośrodku warstwowym
1954	Gutenberg i Richter zbadali statystykę aktywności występowania trzęsień ziemi w relacji z ich magnitudą i sformułowali prawo Gutenberga-Richtera, które mówi że logarytm liczby trzęsień ziemi większych od określonej magnitudy, zmniejsza się liniowo z magnitudą. Czyli liczba silnych trzęsień ziemi jest mniejsza niż słabszych według relacji G-R: log N = a - bM.
1958	J.S.A. Stekeetee jako jeden z pierwszych zastosował teorię dyslokacji do sejsmologii
1960	Wprowadzono akceleromtery piezoelektryczne do pomiaru amplitud przyspieszenia drgań.
1961	założenie WWSSN (Worldwide Standardized Seismograph Network), co pozwoliło lepiej interpretować i lokalizować trzęsienia ziemi
1966	Keiiti Aki wprowadził pojęcie momentu sejsmicznego, lepszej fizycznie miary wielkości trzęsienia ziemi niż magnituda.
1967	Burridge i Knopoff jako pierwsi zaproponowali model ruchu poślizgowego wzdłuż uskoku, kontrolowanego przez tarcie między dwoma powierzchniami (stick-slip motion on fault)
1969-1972	astronauci Apollo zainstalowali sejsmometry na Księżycu.
1979	Hanks i Kanamori wprowadzili pojęcie magnitudy z momentu sejsmicznego do wyrażania wielkości trzęsień ziemi. Aktualnie jest to podstawowa wielkość magnitudy podawana przez światowe serwisy sejsmologiczne.
1981	Adam M. Dziewoński i Don Lynn Anderson opracowali model PREM (Preliminary Reference Earth Model) - referencyjny 1D model Ziemi. Model ten zaprojektowano z myślą o wielu różnych zestawach danych, w tym uwzględniając częstotliwości drgań, dyspersję fal powierzchniowych , podstawowe dane astronomiczne (promień Ziemi, masę) i przede wszystkim czasy przejścia fal podłużnych i poprzecznych przez poszczególne warstwy Ziemi - prędkość rozchodzenia się fal sejsmicznych we wnętrzu Ziemi. PREM określa również moduły sprężystości (ścinania i ściśliwości), współczynnik Poissona, ciśnienie, natężenie siły ciężkości, gęstość i tłumienie fal sprężystych w funkcji głębokości. Uwzględnienie tych wielkości czyni model kompletnym i umożliwia zastosowanie jako odniesienie do obliczeń sejsmogramów syntetycznych. Obserwacja zachowania fal sejsmicznych oraz gęstości skał w głębi Ziemi pozwoliła na wyszczególnienie szeregu nieciągłości, określonych w modelu PREM, pomiędzy poszczególnymi wewnętrznymi warstwami Ziemi.
1998	za model PREM, A.M. Dziewoński i D.L. Anderson otrzymali nagrodę Crafoorda w dziedzinie nauk o Ziemi – nagroda przyznawana za badania naukowe w takich dziedzinach jak matematyka, astronomia, nauki o Ziemi i nauki biologiczne, których nie obejmują Nagrody Nobla.
1998	EMS-98 - Europejska Skala Makrosejsmiczna, oparta w dużej mierze na wcześniejszych badaniach Miedwiediewa-Sponhauera-Karnika (skali MSK).

Źródła:

Shearer P. 2009: Introduction to seismology. Cambridge University Press.
Udias A., Madariaga R., Buforn E. 2014: Source mechanisms of Earthquake: theory and practice. Cambridge University Press.
skngf.us.edu.pl/2015/02/model-prem/