Рефракция (пречупване) на сеизмичните вълни

Искам да поговорим за рефракцията. Ще се концентрираме върху сеизмичните вълни, но принципът на рефракция, тоест какво се случва при преминаване от „бавна“ към „бърза“ среда, и обратното, е същият, както при светлинните и другите видове вълни. Нека помислим малко. Да приемем, че това е „бавна“ среда. Нека тук пък е „бърза“. За да може да използваме и твърди, и течни вещества, нека вземем за пример Р-вълните. Тогава бавната ни среда може да е течна, а бързата – твърда. Нека очертая границата. Ето Р-вълна. Да кажем, че се движи през водата, перпендикулярно на границата. Ще продължи да се движи в същата посока и в по-бързата среда, ако мине през границата. Просто ще е по-бърза в по-бързата среда. Това е, защото по-бързата среда ще е по-гъстата и молекулите ще се удрят едни в други по-бързо. За същото количество време, „реакцията“ ще се разпространи повече защото са по-нагъсто и се отблъскват по-бързо, отколкото в бавната среда. В случая очевидно рефракция няма. Вълната не се е пречупила. Напомням, че рефракция означава една вълна да се пречупи. При отразяването вълната се връща. При рефракцията се пречупва. Нека го изясня. Ако тук е границата и вълната се върне, става дума за отражение. Ако вълната премине и се пречупи, т.е. ѝ се измени посоката, е рефракция. За последното говорим. Дотук тази Р-вълна не се е пречупила. Ако премине границата под ъгъл обаче най-лесният начин да разбереш в коя посока ще се пречупи, или поне най-лесният за мен, е да си представиш някое МПС с гумите му. Това е превозното ми средство, погледнато отгоре. На определен тип превозно средство гумите му ще се движат по-бавно в тази среда. Все едно се движи по кал и няма голямо триене, а при другата среда има, защото е като хубав път, и затова там се движи по-бързо. Какво ще се случи, като стигне границата? Това дясно колело най-отдолу ще стъпи първо върху „настилката“. Тоест първо ще усети триене. Колелата отляво още ще са в калта. Това колело тук ще започне да се движи по-бързо и ще може да обърне превозното средство. Тези гуми още са в калта. Ако превъртим напред, посоката ще се е сменила. Вече ще е горе-долу такава. При вълните се случва същото. Ако Р-вълната наближава границата по този начин, на молекулно ниво се случва нещо аналогично на това, което видяхме току-що. Можеш да си го представиш и като топки за билярд, които се удрят едни в други. Няма да навлизам в това, защото става объркващо, когато стане дума за различни случаи и различни типове граници. Това е най-лесният начин да се осмисли, както и посоката на рефракция. Надявам се дори интуитивно да има смисъл. При преминаване от бавна към бърза среда ъгълът на Р-вълната се измества в тази посока. За преминаването от бърза към бавна среда можеш да си представиш нещата по същия начин. Да кажем, че вълната навлиза така. Ето я колата. Представи си я тук. Представи си колата точно тук. Ето тази гума ще се забие в калта, защото допреди малко е била на път. Горната гума първа ще заоре в калта. Тоест ще започне да се движи по-бавно. Тези гуми ще са по-бързи. Превозното средство ще завие. Рефракцията при преминаване от бърза към бавна среда ще е в тази посока. Това е основното за рефракцията. Нека сега пък помислим какво става със звуковите вълни, когато минават през Земята. Това ще ни помогне да открием как да разберем каква е структурата на Земята. Ако Земята беше с еднороден състав, нека тук се случи земетресение малко под повърхността. Това е в кората, малко под повърхността. Нека помислим какво става с Р-вълните, когато Земята е от еднороден материал. Те могат да пътуват във всичко. Как биха се движели в случая? Отговорът е: само по права линия. Нямат повод за рефракция. Просто ще се разпространяват в прави линии радиално навън, когато има земетресение. На пръв поглед можем да кажем, че колкото по-надолу отиваме в Земята, толкова повече скала има отгоре ни. Теглото на скалата отгоре „компресира“ долната. Тоест наляганието и гъстотата се увеличават. Това е еднородната Земя. Нека сега си представим, че Земята е изградена от еднороден твърд материал, чиято плътност става все по-голяма с нарастването на дълбочината. Преди да продължим, нека го осмислим. Става дума за плътност, която само се увеличава, колкото по-надолу отиваме; да помислим за случая с най-малко плътния слой. Ще го нарисувам тук. Нека това е повърхността на Земята. Това е с най-малката плътност. Да кажем, че има още един слой тук, който е по-плътен. Това е по-плътно. Нека тук има слой, който е дори по-плътен. Тук има един, още по-плътен. Да прибавим още един. Приемаме, че това е най-плътният слой. Р-вълната се движи по-бързо в по-плътен материал. Тоест тук ще е най-бърза, след това тук и тук. Най-бавна ще е в този най-малко плътен слой. Да помислим какво ще стане, ако идва под ъгъл. Нека Р-вълната се приближава под такъв ъгъл. Минава право през най-малко плътния слой. Нека ъгълът е по-малък. Ето така. Какво ще стане, щом стигне по-плътния материал? Нека пак си представим малката ни кола. Тази гума ще е по-бърза от онези от другата страна. Тоест колата ще се „пречупи“ наляво и надолу. Вече ще се движи горе-долу така. Какво ще стане по границата? Отново, представяме си колата. Тази гума ще „стане“ по-бърза преди другата, така че колата ще се завърти още повече натам. Стигаме най-плътния слой. Гумите, които пак са отдолу, отново ще се движат по-бързо от другите. Посоката ще се изкриви още повече. Както виждаш, при минаване от най-малко плътния слой към най-плътния, вълната се извива навън. Ако тази структура продължаваше така, т.е. колкото по-надолу отиваме, толкова по-плътен е материалът – това е най-малко плътно, след това плътността само се увеличава – и стигаме до най-плътния слой тук долу, как ще изглежда рефракцията? Ще продължи да се изкривява. Ще изглежда така. Р-вълната постоянно ще се рефрактира така. Ще се извива навън. Това е най-лесният пример, с еднородната Земя. Лесно е да се неглижира; eстествено, че по-надолу нещата ще се сгъстяват заради налягането. Да разгледаме друг случай. Имаме еднородна като композиция Земя, но тя става все по-плътна. Най-плътна е в центъра. Как биха се движели Р-вълните, както и другите сеизмични вълни в нея? Ако тук е земетресението, вълните, насочени право надолу точно натам ще отидат. Знаем, че рефракция няма да има, ако се движат перпендикулярно на границата на средите. Но вълните, които идват под ъгъл, ще се пречупват все повече и повече, колкото по-навътре отиват, при това навън, както видяхме в горния пример. Под този ъгъл ще се изкривят навън по този начин. Оттук ще се изкривят навън така. Оттук – така. Отсам – натам ще се изкривят. Тук ще е по друг начин. В следващите няколко видеа ще използваме това, което научихме за рефракцията при сеизмичните вълни – надявам се наистина това видео ни е научило – и как се пречупват, като става все по-плътен материалът. Ще използваме тази информация, за да разберем чрез наблюденията си какъв е съставът на Земята.