domingo, 27 de novembro de 2011

Terremotos e Ondas Sísmicas Transversais, Longitudinais e Complexas

Alexandre Medeiros (PhD, University of Leeds – Professor de Física e Astronomia, UFRPE)

SÉRIE DE TEXTOS: A FÍSICA NO DIA A DIA
AUTOR: Alexandre Medeiros
TÓPICO: ONDAS LONGITUDINAIS, TRANSVERSAIS e COMPLEXAS
TÍTULO DO ARTIGO: Terremotos e Ondas Sísmicas Transversais, Longitudinais e Complexas

Como se origina um terremoto em uma região próxima de uma falha geológica? Como se consegue determinar a posição do ponto onde ele teve origem e quais as características das ondas sísmicas formadas neste evento?
Um terremoto gerado em um local próximo de uma falha geológica é quase sempre provocado principalmente por tensões de cisalhamento; ou seja, o terremoto é produzido quando camadas rochosas superpostas deslizam uma sobre a outra de forma análoga ao que ocorre na figura abaixo (esquerda) entre as duas placas rebitadas.
Uma tensão de cisalhamento é criada quando as forças que agem sobre um corpo, atuam na mesma direção, mas em sentidos opostos. Um exemplo típico de tensão de cisalhamento é aquela que acontece em uma tesoura.

Não podendo, a princípio, se movimentar, devido a algum impedimento, como um possível engate de gigantescas rochas subterrâneas, as placas ficam sujeitas à referida tensão de cisalhamento e o sistema vai, assim, acumulando energia potencial até o limite de resistência da referida rocha.  Ao ser finalmente liberada como energia cinética, ela pode provocar um súbito deslizamento das placas rochosas da crosta terrestre ao longo de toda a falha geológica.  Os efeitos deste tipo de ocorrência em terremotos são mostrados na figura seguinte da direita.

A fonte desta ruptura da rocha e do consequente deslizamento está localizada em um ponto subterrâneo denominado de hipocentro ou foco do terremoto.
A projeção vertical deste foco na superfície terrestre determina a posição do epicentro do terremoto. O epicentro, portanto, não é a origem do terremoto, mas sim a projeção vertical dessa origem.
De um modo geral, as ondas geradas em um terremoto podem ser de dois tipos: as ondas de corpo (ou de volume) e as ondas superficiais.
As ondas de corpo são geradas no foco do terremoto e se propagam através da massa do planeta, enquanto que as ondas superficiais se propagam através da superfície da Terra e são originadas a partir do momento que as ondas de corpo atingem a superfície. Elas se propagam radialmente, mas suas trajetórias mudam de direção ao sofrerem os efeitos da refração provocados pelas alterações de densidade e de composição do interior da Terra.
As ondas de corpo podem ser subdividas em dois tipos: as ondas primárias (ou ondas P), e as ondas secundárias (as ondas S). As ondas P são ondas longitudinais de compressões e expansões, com amplitudes e períodos pequenos, e fazem as rochas vibrarem na mesma direção de propagação da onda. Elas alteram o volume das rochas atingidas, mas não as suas formas, como evidenciado nas duas figuras abaixo.
Semelhantes às ondas sonoras, as ondas P se propagam com velocidades que variam de acordo com o meio que atravessam: aproximadamente 3300 m/s no ar, 1450 m/s na água e 5000 m/s no granito. Elas são menos destrutivas que as ondas de corpo secundárias e muito menos ainda que as posteriores ondas de superfície.

Apesar de se originarem simultaneamente, as ondas primárias e as ondas secundárias se propagam com diferentes velocidades.
As ondas primárias recebem este nome justamente porque se propagam mais rapidamente e assim sendo, chegam primeiro em todos os pontos da superfície da Terra.
As ondas secundárias, cujas velocidades são da ordem de 60% da velocidade das ondas P em um mesmo material, chegam um pouco depois. Esta diferença de tempo de chegada, aliada ao conhecimento das referidas velocidades das duas ondas, serve para que se determine a distância do foco do terremoto até um local qualquer da superfície da Terra.

Por outro lado, as ondas secundárias (ou ondas S), são ondas transversais ou de cisalhamento, ou seja, elas fazem as partículas do meio através do quais se propagam vibrarem em uma direção perpendicular à direção de propagação da própria onda.

Diferentemente das ondas P, as ondas S causam mudanças na forma dos materiais atingidos, sem, contudo alterarem os seu volume se movem apenas através de materiais sólidos, dado que líquidos e gases (por não terem forma definida) não sofrem tensão de cisalhamento.
As ondas S, além disso, atingem amplitudes muito maiores que as das ondas P (de compressão e expansão) e com isso são bem mais destrutivas que aquelas.
Por outro lado, as ondas superficiais são formadas a partir do epicentro, desde o momento em que as primeiras ondas de corpo atingem o solo. Elas, entretanto, continuam sendo formadas a partir de todos os outros pontos seguintes da superfície desde cada momento de chegada em tais pontos das ondas de corpo. Daí porque as ondas superficiais são em verdade muito mais complexas do que as ondas de corpo, visto que elas são em verdade o resultado de um processo extremamente complexo de múltiplas e sucessivas superposições de ondas. De um modo geral, as ondas de superfície têm uma velocidade menor que a das ondas de corpo e, portanto, chegam com certo atraso em relação àquelas em todos os locais atingidos pelo terremoto. Além disso, elas têm baixas frequências, mas amplitudes muito elevadas. Esta alta amplitude, aliada ao fato de serem propagadoras de vibrações bastante complexas, fazem com que elas submetam os materiais através dos quais se propagam, a enormes esforços, sendo, portanto, altamente destrutivas. Essas ondas superficiais podem também ser subdividas em dois outros tipos: as ondas de Rayleigh e as ondas de Love. Esses nomes foram dados em homenagem aos dois cientistas ingleses que as descreveram pioneiramente: Lord Rayleigh (John William Strutt) (1885) e Augustus Edward Hough Love (1911).
As ondas de Rayleigh se assemelham às ondas que se propagam na superfície da água e são elas o resultado da interferência de ondas primárias e secundárias ao atingirem a superfície terrestre. Devido á essa origem, as ondas de Rayleigh apresentam uma mescla das características das ondas longitudinais com as ondas transversais. A direção de propagação dessas ondas é perpendicular à oscilação média do meio; entretanto, este meio apresenta também um movimento de vai e vem análogo ao das ondas longitudinais e que resulta em um rolamento deste mesmo meio, como mostram as figuras abaixo.
As ondas superficiais de Love, por outro lado, são o resultado de tensões de cisalhamento horizontal do solo provocadas pela interferência de duas ondas de corpo secundárias e são um pouco mais rápidas que as ondas de Rayleigh.
Observando-se as figuras abaixo, pode-se perceber que os esforços provocados pelas ondas Love tendem alternadamente a distender e a comprimir o meio através do qual se propagam tanto para cima e para baixo, quanto lateralmente, exercendo um efeito de cisalhamento altamente destrutivo e dilacerador nos materiais atingidos pelas mesmas. As ondas Love são, por isso, o tipo mais destrutivo de ondas sísmicas produzidas durante um terremoto.

É ilustrativo visualizar lado a lado esses dois tipos de ondas complexas: Rayleigh e Love, como mostra a figura abaixo, dado que as diferenças entre elas são mais sutis. Embora sejam praticamente desconhecidas pelo público leigo, elas são as principais responsáveis pelos danos causados em terremotos, principalmente as terríveis ondas Love.


PARA CITAR ESTA FONTE: Medeiros, Alexandre. Terremotos e Ondas Sísmicas Transversais, Longitudinais e Complexas. Física e Astronomia_Alexandre Medeiros, BLOG.


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