Seismische golven

Wat seismische golven zijn

Wanneer gesteente langs een breuk plotseling verschuift, komt de opgespaarde spanning vrij als trillingen. Die trillingen planten zich voort als seismische golven — golven van elastische vervorming die door en over de aarde reizen. Het beginpunt onder de grond heet het hypocentrum; het punt recht erboven aan het oppervlak heet het epicentrum. Waar die twee precies liggen, bepalen seismologen door de aankomsttijden van de golven bij verschillende stations te vergelijken; meer daarover op de pagina over hypocentrum en epicentrum.

Seismologen onderscheiden twee hoofdgroepen. Lichaamsgolven (P en S) reizen door het inwendige van de aarde en buigen af zodra de samenstelling of dichtheid verandert. Oppervlaktegolven (Love en Rayleigh) ontstaan waar lichaamsgolven het aardoppervlak bereiken en blijven dicht onder de grond hangen. De vier types verschillen in beweging, snelheid en in de schade die ze veroorzaken.

Wat veroorzaakt seismische golven?

De belangrijkste bron is een aardbeving: gesteente dat langs een breuk losschiet. Maar elke plotselinge beweging of schok in de ondergrond zendt seismische golven uit. Andere bronnen zijn bewegend magma bij vulkanen, explosies (van springwerk in steengroeven tot ondergrondse kernproeven), het instorten van ondergrondse holtes, grote aardverschuivingen en meteorietinslagen. Ook de branding van de oceaan, wind en verkeer veroorzaken een voortdurende, zwakke achtergrondruis die op elke seismometer te zien is. Welke breukbewegingen achter aardbevingen zitten, lees je bij breuken en verschuivingen.

P-golven

De P-golf is de primaire golf — primair omdat hij als eerste aankomt. Het is een compressiegolf: het gesteente wordt afwisselend samengeperst en uitgerekt in dezelfde richting waarin de golf reist, net zoals geluid zich door lucht voortplant. In de aardkorst haalt een P-golf ongeveer 6 kilometer per seconde. Omdat compressie zowel in vaste stof als in vloeistof en gas mogelijk is, gaat de P-golf door alles heen — door gesteente, door de vloeibare buitenkern en zelfs door water en lucht.

Bij een lichte beving merk je de P-golf soms als een korte tik of dof gerommel, vlak voordat het echte schudden begint. Dat tijdsverschil tussen de P- en de S-golf is precies de informatie waarmee een seismometer de afstand tot de bron berekent.

S-golven

De S-golf is de secundaire golf, omdat hij na de P-golf arriveert. Het is een schuifgolf: het gesteente beweegt loodrecht op de looprichting, op en neer of zijwaarts. In de aardkorst gaat een S-golf ongeveer 3,5 kilometer per seconde — duidelijk trager dan de P-golf. De S-golf draagt meer energie en schudt heviger; het is vooral deze golf, samen met de oppervlaktegolven, die schade aan gebouwen veroorzaakt.

Een schuifbeweging vereist dat het materiaal vormvastheid heeft. Vloeistoffen hebben die niet: ze geven mee in plaats van terug te veren. Daarom kan een S-golf níet door vloeistof reizen. Dat ene feit blijkt een sleutel tot het inwendige van de aarde te zijn.

Oppervlaktegolven: Love en Rayleigh

Waar P- en S-golven het aardoppervlak bereiken, wekken ze oppervlaktegolven op. Die reizen langzamer dan de lichaamsgolven, maar dempen minder snel uit en hebben grotere amplitudes vlak onder de grond. Het gevolg: oppervlaktegolven veroorzaken doorgaans de zwaarste schade, zeker bij ondiepe bevingen. Er zijn twee soorten, vernoemd naar de wetenschappers die hun gedrag voorspelden.

• Love-golven (naar A.E.H. Love, 1911) schudden de grond horizontaal heen en weer, haaks op de looprichting. Deze zijdelingse beweging is bijzonder destructief voor de funderingen van gebouwen.
• Rayleigh-golven (naar Lord Rayleigh, 1885) laten de grond in een rollende, elliptische beweging golven, zoals een deining op zee. Ze geven het kenmerkende, misselijkmakende rollen dat veel mensen tijdens een zware beving voelen.

Doordat oppervlaktegolven het traagst zijn, komen ze als laatste aan — maar ze houden ook het langst aan. Op de pagina over de schaal van Richter lees je hoe de grootste uitslag (amplitude) op een seismogram wordt vertaald naar een magnitudegetal.

Hoe P- en S-golven omgezet worden in oppervlaktegolven

Oppervlaktegolven zijn geen aparte bron; ze ontstaan uit de lichaamsgolven. Wanneer P- en S-golven het aardoppervlak bereiken, kaatsen ze daar terug en gaan ze met elkaar samenspelen. Rayleigh-golven ontstaan uit de combinatie van P-golven en S-golven die verticaal trillen; daardoor beweegt de grond tegelijk op en neer en heen en weer, in een rollende ellips. Love-golven ontstaan uit S-golven die horizontaal trillen en gevangen raken in de bovenste, zachtere laag van de aardkorst, waar ze steeds tussen de onderkant en het oppervlak heen en weer kaatsen. Omdat oppervlaktegolven zich in twee richtingen langs het oppervlak verspreiden in plaats van in drie richtingen door de aarde, nemen ze minder snel af met de afstand. Bij diepe bevingen ontstaan er veel minder oppervlaktegolven, wat een van de redenen is dat diepe bevingen aan het oppervlak milder aankomen; zie hypocentrum en epicentrum.

Wat de verhouding tussen P- en S-golven over de bron vertelt

Seismologen halen uit de vergelijking van P- en S-golven drie soorten informatie over de bron.

• Afstand. De P-golf gaat ongeveer 1,7 keer zo snel als de S-golf. Hoe verder de bron, hoe groter het tijdsverschil tussen beide. Voor bevingen in de aardkorst geldt de vuistregel: aantal seconden tussen P en S × 8 = afstand in kilometers.
• Type breukbeweging. De allereerste beweging van de P-golf is bij sommige stations een duw (de grond gaat omhoog) en bij andere een trek (de grond gaat omlaag). Uit het patroon van duwen en trekken rond de bron, aangevuld met de verhouding tussen de P- en S-amplitudes, berekenen seismologen het breukmechanisme: of het om een afschuiving, een opschuiving of een horizontale verschuiving ging.
• Beving of explosie. Een explosie drukt het gesteente vooral in alle richtingen samen en wekt daardoor relatief sterke P-golven en zwakke S-golven op. Een natuurlijke beving is een schuifbeweging en geeft juist krachtige S-golven. Een opvallend hoge P/S-verhouding is daarom een van de kenmerken waarmee meetnetwerken kernproeven en andere explosies onderscheiden van aardbevingen.

Wat de golven over de binnenkant van de aarde verraden

Omdat seismische golven afbuigen, versnellen en weerkaatsen bij elke grens tussen verschillende materialen, werken ze als een natuurlijke doorlichting van de planeet. De aarde heeft geen kijkgat naar zijn kern; alles wat we weten over de mantel, de buitenkern en de binnenkern, weten we grotendeels dankzij deze golven.

Het sterkste bewijs is de S-golf-schaduwzone. Stations aan de andere kant van de aarde, op meer dan ongeveer 104 graden van een beving, ontvangen wél P-golven maar géén directe S-golven. Die afwezigheid kan maar één ding betekenen: ergens onderweg passeren de S-golven een laag die ze niet kunnen doorkruisen — een vloeistof. Zo werd bewezen dat de buitenkern van de aarde vloeibaar is. De P-golven, die wél door vloeistof gaan, buigen bij dezelfde grens scherp af en laten daardoor ook een eigen, smallere schaduwzone achter. Samen leggen die patronen de afmetingen van de kern vast.

Hoe een seismometer werkt

Om golven te meten is een vast referentiepunt nodig, maar bij een beving beweegt álles. De oplossing is verrassend eenvoudig: een zware massa wordt aan een veer of draad opgehangen. Door zijn traagheid blijft die massa bij snelle trillingen vrijwel stil hangen, terwijl de behuizing — verankerd in de grond — met de aarde meebeweegt. Het instrument registreert het verschil tussen die twee, en dat verschil ís het bodemsignaal.

Moderne seismometers zetten die relatieve beweging om in een elektrisch signaal dat digitaal wordt vastgelegd op een seismogram. Het KNMI beheert in Nederland een dicht netwerk van zulke stations, inclusief boorgatseismometers die diep onder Groningen zijn geplaatst om ook zeer lichte bevingen te registreren. Door de aankomsttijden van P- en S-golven bij meerdere stations te combineren, bepaalt het instituut plaats, diepte en magnitude. Hoe het KNMI dat in de praktijk doet, lees je op de pagina over het KNMI.

Misvattingen

Veelgestelde vragen

Verder lezen

Wil je eerst begrijpen waar deze golven vandaan komen, lees dan hoe een aardbeving ontstaat. Voor de manier waarop golfamplitudes tot een magnitudecijfer leiden, is de uitleg over de schaal van Richter het logische vervolg, en voor wat mensen van de golven voelen de Mercalli-schaal. Actuele bevingen bekijk je op de live kaart.