1. Introduzione e Classificazione
L'energia liberata durante un terremoto dall'ipocentro si irradia in tutte le direzioni sotto forma di impulsi elastici chiamati onde sismiche. Queste onde vengono registrate dagli strumenti di misura denominati sismografi.
In base al loro percorso all'interno del pianeta e alle modalità di oscillazione delle particelle rocciose, le onde sismiche si dividono in due grandi categorie:
- Onde di Volume (o interne): Si propagano partendo dall'ipocentro e attraversando l'intero volume interno della Terra. Comprendono le onde P e le onde S.
- Onde Superficiali: Si generano quando le onde di volume raggiungono la superficie terrestre (all'epicentro) e si propagano esclusivamente lungo la superficie della crosta. Comprendono le onde di Love e le onde di Rayleigh.
2. Le Onde di Volume: Onde P e Onde S
Le onde interne si distinguono per la loro velocità elevata e per la diversa natura della deformazione che provocano nei materiali attraversati:
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Onde P (Primarie o Longitudinali): Sono le onde più veloci in assoluto e per questo motivo sono le prime a essere registrate da un sismografo (da qui il nome "primarie"). Sono onde di compressione e dilatazione: le particelle del mezzo oscillano nella stessa direzione in cui si propaga l'onda, provocando alternativamente una compressione e un allungamento della roccia.
Caratteristica fondamentale: Possono propagarsi attraverso tutti i mezzi, sia solidi che liquidi e gassosi. -
Onde S (Secondarie o Trasversali): Sono più lente delle onde P e arrivano per seconde ai sismografi. Sono onde di taglio: le particelle oscillano in direzione perpendicolare (trasversale) rispetto alla direzione di propagazione dell'onda, causando variazioni di forma ma non di volume del materiale.
Caratteristica fondamentale: A differenza delle onde P, le onde S non possono propagarsi nei fluidi (liquidi e gas), poiché i fluidi possiedono una rigidità al taglio nulla (\(\mu = 0\)). Questa proprietà è stata cruciale per scoprire la natura liquida del nucleo esterno della Terra.
La velocità delle onde P (\(V_P\)) e delle onde S (\cite{l-le-onde-sismiche} \(V_S\)) dipende dalle proprietà elastiche e dalla densità (\(\rho\)) del mezzo roccioso: $$V_P = \sqrt{\frac{K + \frac{4}{3}\mu}{\rho}} \quad \text{e} \quad V_S = \sqrt{\frac{\mu}{\rho}}$$ dove \(K\) è il modulo di incompressibilità e \(\mu\) è il modulo di rigidità. Poiché \(K + \frac{4}{3}\mu > \mu\), risulta sempre che \(V_P > V_S\).
3. Le Onde Superficiali: Love e Rayleigh
Quando le onde P e S arrivano in superficie, danno origine alle onde superficiali. Pur essendo più lente delle onde di volume, sono caratterizzate da un'ampiezza maggiore e sono responsabili dei movimenti più distruttivi durante i grandi terremoti:
- Onde di Love: Provocano un movimento orizzontale e trasversale rispetto alla direzione di propagazione dell'onda, facendo oscillare il terreno lateralmente (effetto "serpentina").
- Onde di Rayleigh: Generano un movimento ellittico delle particelle del suolo, simile a quello delle particelle d'acqua nelle onde marine, combinando oscillazioni verticali e orizzontali.
📝 Esercizio Svolto: Interpretazione dei Sismogrammi e Fluidi Sotterranei
Un sismografo registra le onde generate da un forte terremoto sottomarino. All'interno di una determinata zona del mantello terrestre profondo, gli strumenti rilevano la brusca interruzione e scomparsa delle onde S, mentre le onde P continuano a propagarsi seppure deviate. Quale deduzione fisica si può trarre sullo stato fisico di quello strato interno?
Svolgimento analitico:
- Analisi del comportamento delle onde S: Le onde S sono onde di taglio e richiedono un mezzo dotato di rigidità elastica strutturata per potersi trasmettere. I fluidi (liquidi o gas) non offrono resistenza agli sforzi di taglio e di conseguenza smorzano completamente le onde S.
- Confronto con le onde P: Le onde P sono di natura compressionale e possono viaggiare anche nei fluidi sfruttando la comprimibilità volumetrica.
🎯 Conclusione: La totale estinzione delle onde S associata alla sola trasmissione delle onde P dimostra inequivocabilmente che lo strato attraversato si trova in uno stato di aggregazione fuso o liquido.