העתק משתחרר
רעידת אדמה מתחילה בהעתק, סדק בין שני גושי סלע שנדחפים או נמשכים זה לצד זה, לעיתים קרובות במקום שבו שני לוחות טקטוניים נפגשים (ראו טקטוניקת הלוחות). החיכוך מחזיק את הגושים נעולים בזמן שהמאמץ מצטבר, במשך עשרות או מאות שנים. כשהסלע סוף־סוף נכנע, ההעתק מחליק בסנטימטרים או במטרים בתוך שניות ספורות, והאנרגיה שנאגרה יוצאת כגלים סייסמיים, תנודות שעוברות בסלע לכל הכיוונים.
הנקודה מתחת לפני הקרקע שבה ההחלקה מתחילה היא המוקד, והנקודה על פני השטח שמעליה בדיוק היא האפיצנטר. הרעידה בסצנה נמצאת בעומק 10 km, מול חופי צפון־מזרח יפן. הגלים שלה חוצים את כל כדור הארץ: רעידה גדולה בכל מקום נקלטת בסייסמומטרים בכל העולם בתוך כעשרים דקות.
שני סוגי גלים דרך הסלע
שני סוגי גלים עוברים דרך גוף כדור הארץ. גלי P (ראשוניים) דוחפים ומושכים: הסלע נדחס ונמתח לאורך הכיוון שבו הגל נע, כמו פולס לאורך קפיץ מתוח או גל קול באוויר (ראו קול). גלי S (משניים) גוזרים: הסלע מנוער מצד לצד, לרוחב הכיוון שבו הגל נע, כמו הצלפה שעוברת לאורך חבל.
גלי P מהירים יותר, בערך 6 km/s בקרום וכמעט 14 km/s סמוך לתחתית המעטפת. גלי S נעים במהירות של קצת יותר ממחצית מזה, ולכן הם תמיד מגיעים שניים. הפער ביניהם גדל עם המרחק, וכך סייסמומטר אחד יכול לדעת כמה רחוקה הייתה הרעידה: שלושה יחד מאתרים בדיוק איפה היא הייתה.
נסו: קבעו את הסייסמומטר על 30°, ואז החליקו את זמן מהרעידה, שמריץ את השעון מהרעידה ועד 28 דקות אחריה, מהרעידה מתחילה לכיוון הגלים חוצים את כדור הארץ. הסייסמוגרמה שליד הסצנה מראה את P מגיע ראשון, ואחריו את S הגדול יותר. הרחיקו את הסייסמומטר וצפו בפער ביניהם גדל.
מסלולים שמתעקלים
הסלע בעומק כדור הארץ דחוס כל כך שגלים נעים בו מהר יותר. חזית גל שיורדת באלכסון מגיעה לסלע המהיר קודם בצד התחתון שלה, ולכן היא מסתובבת, כמו שאור נשבר כשהוא עובר מאוויר לזכוכית (ראו שבירה). לכן הקרניים הסייסמיות מתעקלות בחזרה למעלה אל פני השטח במקום לנוע בקווים ישרים. לסייסמומטר במרחק 30° מהרעידה מגיעה קרן שירדה לעומק של כ־650 km; לסייסמומטר במרחק 90° מגיעה קרן שירדה לכ־2,700 km, קרוב לתחתית המעטפת.
המהירות גם קופצת בגבולות חדים בין שכבות, וכל קפיצה כזאת מעקמת את הקרניים שוב. הגבול הגדול מכולם נמצא בעומק 2,890 km, שם הסלע המוצק של המעטפת פוגש את הגלעין החיצוני.
צללים בצד הרחוק
גלי S לא יכולים לחצות את הגלעין החיצוני. גל גזירה זקוק לחומר שקופץ בחזרה כשמכופפים אותו הצידה, ונוזל לא עושה את זה: הוא פשוט זורם. כל גל S שמגיע לגלעין נעצר שם. מעבר ל־103° בערך מהרעידה, הקרניים שהיו מגיעות לפני השטח היו צריכות לחצות את הגלעין, ולכן לא מגיעים לשם גלי S בכלל: אזור הצל של גלי S מכסה את כל הצד הרחוק של כדור הארץ.
גלי P כן חוצים את הגלעין, אבל הברזל הנוזלי מאט אותם מכמעט 14 km/s לכ־8 km/s. כשהם נכנסים אליו הם נשברים בחדות פנימה, כמו אור שנכנס לעדשה, ויוצאים בצד הרחוק מקובצים יחד, הרבה מעבר ל־140°. בין הגלים האחרונים שחולפים על פני הגלעין לבין הראשונים שעוברים דרכו יש טבעת שאליה כמעט לא מגיעים גלי P: אזור הצל של גלי P, בערך בין 104° ל־140°.
נסו: בחרו גלי P, החליקו את זמן מהרעידה עד הסוף, אל הגלים חוצים את כדור הארץ, וחפשו את הרצועה הכהה של סייסמומטרים בחצי התחתון של כדור הארץ. אחר כך בחרו גלי S וראו את הצל מתפרש על כל הצד הרחוק.
לקרוא את הצללים
הצללים האלה הם הדרך שבה התגלה פנים כדור הארץ. ב־1906 שם לב ריצ’רד אולדהם שגלי P מגיעים באיחור, או לא מגיעים בכלל, לתחנות רחוקות, וטען שיש לכדור הארץ גלעין. ב־1914 קבע בנו גוטנברג את שפתו בעומק של כ־2,900 km, קרוב לערך המקובל היום. העובדה שגלי S לעולם לא חוצים אותו, יחד עם התגובה של כדור הארץ לגאות שהירח יוצר, שכנעו את הרולד ג’פריס ב־1926 שהגלעין נוזלי.
ב־1936 הבחינה הסייסמולוגית הדנית אינגה להמן בגלי P חלשים שמגיעים לתוך אזור הצל של גלי P, למקום שאליו לא אמור להגיע אף גל. היא הציעה שבתוך הגלעין יש גלעין קטן יותר, שבו הגלים נעים שוב מהר יותר, וזה מעקם אותם החוצה אל תוך הצל. הגלעין הפנימי, שרדיוסו 1,220 km, עשוי ברזל וניקל מוצקים: הלחץ במרכז גדול כל כך שהברזל קופא, אף שהוא חם כמו פני השמש.
נסו: כשגלי P בחורים, קבעו את הסייסמומטר על 110°, בתוך הצל, והחליקו את זמן מהרעידה עד הסוף: שום דבר לא מגיע. אחר כך הזיזו את הסייסמומטר ל־125°: מופיע רטט קטן ומאוחר, שמסומן P חלש. אלה הגלים של להמן.
לגלעין החיצוני הנוזלי יש חשיבות הרבה מעבר לסייסמולוגיה: הברזל המתערבל בו יוצר את השדה המגנטי של כדור הארץ (ראו השדה המגנטי של כדור הארץ).
מה המודל משאיר בחוץ
הסצנה מציירת רק את הגל הראשון מכל סוג שמגיע לכל נקודה. סייסמוגרמה אמיתית עמוסה יותר. גלים מוחזרים מפני השטח ומהגלעין ומגיעים שוב מאוחר יותר. גל S שפוגע בגלעין יכול להפוך לגל P, לחצות את הנוזל ולהפוך בחזרה לגל S בצד הרחוק, כך שגלים מסוג S כן מגיעים לחלקים מאזור הצל בדרך העקיפה הזאת. גלים גם זוחלים מעט סביב שפת הגלעין ומטשטשים את השוליים של שני הצללים, ולכן המספרים שבספרי הלימוד, 104° עד 140°, שונים בכמה מעלות מהמקום שבו הקרניים המחושבות מסתיימות.
רוב הטלטול שמפיל בניינים מגיע מגלי שטח, שנעים לאורך הקרקע לאט יותר מגלי S ולא מופיעים כאן. הרעידה בסצנה היא נקודה אחת, ואילו רעידת אדמה גדולה יכולה לקרוע העתק באורך מאות קילומטרים במשך דקה ויותר. כדור הארץ במודל עשוי שכבות מושלמות, עם מהירויות ממודל ייחוס מקובל; בפנים כדור הארץ האמיתי יש אזורים חמים וקרים יותר שמאיצים או מאטים גלים בכמה אחוזים, וסייסמולוגים ממפים אותם כדי לראות את המעטפת זזה.