Deprem dalgaları

Bir depremde insanlar çoğu zaman aynı sırayı yaşar: önce kısa, sert bir sarsıntı, bir an sonra daha güçlü bir sallantı, ardından binayı ileri geri ve yukarı aşağı dalgalandıran uzun bir hareket. Bu sıra rastlantı değildir. Yerin derinliklerinde başlayan kırılma, farklı türden dalgaları aynı anda yollar; ama bu dalgalar farklı hızlarla ilerlediği için bize farklı anlarda ulaşır. Sismograflar bu farkı kaydeder ve bilim insanları dalgaların varış süreleri arasındaki farktan depremin nerede olduğunu hesaplar. Aynı dalgalar, kimsenin göremediği yer çekirdeğinin bir kısmının sıvı olduğunu da ortaya çıkarmıştır. Türkiye, etkin fay hatları üzerinde bulunan bir ülkedir; deprem dalgalarını anlamak hem fiziğin hem de yaşamın konusudur. Ünitenin ilk dört dersinde dalga kavramını, ip ve su dalgalarını ve sesi ele aldık. Bu derste aynı kavramları yerin içine taşıyoruz: depremin nasıl oluştuğunu, P, S ve yüzey dalgalarını, sismografı ve merkez üssünün bulunmasını, büyüklük ve şiddet kavramlarını ve deprem güvenliğinin fiziksel temelini öğreniyoruz.

• Depremin oluşumunu, odak ve dış merkez kavramlarını açıklarsın.
• P, S ve yüzey dalgalarını tür, hız, geçebildikleri ortamlar ve etkileri bakımından karşılaştırırsın.
• P ve S dalgalarının varış süreleri farkından istasyon ile deprem arasındaki uzaklığı hesaplarsın.
• Büyüklük ile şiddeti ayırır, rezonansın yapılara etkisini ve güvenli davranışları açıklarsın.

Deprem nasıl oluşur?

Yer kabuğu, birbirine göre çok yavaş hareket eden büyük levhalardan oluşur. Levhaların sınırlarında ve kayaçlardaki kırık yüzeyler olan faylar boyunca, kayaçlar birbirine sürtünerek uzun süre gerilim biriktirir. Biriken gerilim kayaçların dayanabileceği sınırı aştığında kayaçlar aniden kırılır ya da kayar ve depolanan enerji dalgalar hâlinde her yöne yayılır. Bu ani sarsıntıya deprem denir.

Kırılmanın yerin altında başladığı noktaya odak (iç merkez), odağın tam üstünde yeryüzünde bulunan noktaya dış merkez (merkez üssü) denir. Sarsıntı çoğu zaman dış merkeze yakın yerlerde en şiddetli hissedilir. Türkiye'de Kuzey Anadolu ve Doğu Anadolu fay hatları gibi etkin faylar bulunduğu için ülkemiz önemli bir deprem kuşağındadır.

Cisim dalgaları: P ve S

Depremde yerin içinden geçerek yayılan dalgalara cisim dalgaları denir. İki türü vardır:

• P dalgaları (birincil dalgalar) boyuna dalgalardır; kayaçları dalganın ilerleme yönünde sıkıştırıp seyrelterek yayılır, tıpkı havadaki ses gibi. En hızlı deprem dalgalarıdır ve bir istasyona ilk onlar ulaşır. Katı, sıvı ve gaz ortamlardan geçebilirler.
• S dalgaları (ikincil dalgalar) enine dalgalardır; kayaçları dalganın ilerleme yönüne dik olarak sağa sola ya da yukarı aşağı sarsar. P dalgalarından daha yavaştır ve istasyona onlardan sonra ulaşır. S dalgaları yalnız katılardan geçebilir; sıvılar enine titreşimi iletemez.

S dalgalarının sıvılardan geçememesi, yerin iç yapısı hakkında önemli bir kanıt sağlamıştır. Büyük bir depremden sonra dünyanın karşı yüzündeki bazı istasyonlara S dalgaları hiç ulaşmaz. Bu gölge bölgesi, yerin dış çekirdeğinin sıvı olduğunu gösterir.

Yüzey dalgaları

Cisim dalgaları yeryüzüne ulaştığında, yüzey boyunca ilerleyen yüzey dalgaları oluşur. Bu dalgalar deprem dalgalarının en yavaşıdır, ama genlikleri en büyüktür ve yeri hem yanlara hem yukarı aşağı dalgalandırır. Yapılara verilen hasarın büyük kısmı yüzey dalgalarından kaynaklanır. Kancadaki son, uzun sallantı bu dalgalardır.

Sismograf ve uzaklık hesabı

Deprem dalgalarını kaydeden alete sismograf, elde edilen kayda sismogram denir. Sismogramda önce P dalgalarının küçük genlikli titreşimleri, sonra S dalgalarının daha büyük titreşimleri, en son da yüzey dalgalarının büyük genlikli salınımları görülür.

P ve S dalgaları aynı anda yola çıktığı hâlde farklı hızlarla ilerlediği için istasyona farklı zamanlarda ulaşır. İstasyon depremden ne kadar uzaksa aradaki gecikme o kadar büyüktür. Uzaklık d, P dalgasının hızı v_P, S dalgasının hızı v_S ise varış süreleri farkı:

Δt = d / v_S − d / v_P

Örneğin P dalgaları 6 km/s, S dalgaları 3,5 km/s hızla ilerliyorsa ve aralarındaki gecikme hesaplanacaksa, 210 km uzaklıktaki bir istasyona P dalgası 35 s'de, S dalgası 60 s'de ulaşır; aradaki fark 25 s'dir. Bu ilişki tersine de kullanılır: gecikme ölçülerek uzaklık bulunur.

Tek bir istasyon depremin yalnız ne kadar uzakta olduğunu söyler, yönünü söylemez. Bu yüzden en az üç istasyonun ölçümleri birleştirilir: her istasyonun çevresine bulunan uzaklık kadar yarıçaplı bir çember çizilir ve üç çemberin kesiştiği nokta dış merkezi verir.

Erken uyarının fiziği

P dalgaları S ve yüzey dalgalarından önce ulaştığı için, dış merkeze yakın istasyonlar P dalgalarını algılar algılamaz uzaktaki bölgelere elektronik bir uyarı gönderebilir. Elektronik sinyal ışık hızına yakın bir hızla, deprem dalgaları ise saniyede birkaç kilometreyle ilerler. Bu fark, dış merkezden biraz uzaktaki yerlere yıkıcı dalgalar gelmeden önce birkaç saniyelik bir süre kazandırır. Bu kısa süre, trenlerin yavaşlatılması, doğalgaz vanalarının kapatılması ve insanların korunaklı bir yere geçmesi için kullanılabilir. Dış merkeze çok yakın yerlerde ise dalgalar neredeyse aynı anda geldiği için uyarı süresi çok kısadır.

Büyüklük ve şiddet

Depremleri tanımlamak için iki farklı kavram kullanılır:

• Büyüklük, depremde açığa çıkan enerjinin ölçüsüdür ve sismogramlardaki dalga genliklerinden hesaplanır. Bir deprem için tek bir büyüklük değeri vardır. Büyüklük ölçeği logaritmiktir: büyüklükteki 1 birimlik artış, kaydedilen dalga genliğinin yaklaşık 10 kat, açığa çıkan enerjinin ise çok daha fazla, yaklaşık 30 kat artması demektir.
• Şiddet, depremin belirli bir yerdeki etkisinin, yani hissedilme derecesinin ve verdiği hasarın ölçüsüdür. Aynı depremin şiddeti, dış merkeze uzaklığa, zemin türüne ve yapıların sağlamlığına göre yerden yere değişir.

Rezonans ve yapılar

Her yapının, sallandığında kendiliğinden titreştiği bir doğal frekansı vardır. Yer sarsıntısının frekansı bir binanın doğal frekansına yakınsa, bina her sallantıda biraz daha büyük genlikle titreşir; buna rezonans denir. Bu yüzden aynı depremde bazı yükseklikteki binalar çok hasar görürken, başka yükseklikteki binalar daha az etkilenebilir. Depreme dayanıklı yapı tasarımında zemin incelemesi, yapının doğal frekansı ve sarsıntıyı sönümleyen sistemler hesaba katılır.

Güvenli davranış

Sarsıntı sırasında içerideysek sağlam bir masanın yanına çök, başını ve enseni koruyarak kapan, masanın ayağına tutun ilkesi uygulanır. Merdivenler, asansörler, camlar ve devrilebilecek eşyalar tehlikelidir. Evdeki dolapları duvara sabitlemek ve bir deprem çantası hazırlamak, fiziğin söylediğini gündelik önleme dönüştürmenin yollarıdır.

Örnek 1 — Varış sırası

Soru: Bir sismografa depremin hangi dalgaları ilk ulaşır?

• A) Yüzey dalgaları
• B) S dalgaları
• C) Hepsi aynı anda
• D) P dalgaları
• E) Ses dalgaları

Çözüm: P dalgaları en hızlı deprem dalgalarıdır; istasyona ilk onlar ulaşır. Cevap: D.

Örnek 2 — Ortam

Soru: Yerin sıvı dış çekirdeğinden geçemeyen dalgalar hangileridir?

• A) S dalgaları
• B) P dalgaları
• C) Hem P hem S
• D) Hiçbiri
• E) Işık dalgaları

Çözüm: Enine olan S dalgaları sıvılardan geçemez. Cevap: A.

Örnek 3 — Uzaklık

Soru: P dalgalarının hızı 8 km/s, S dalgalarının hızı 4 km/s'dir. Bir istasyonda iki dalga arasındaki gecikme 20 saniye ölçülüyor. İstasyon depremden kaç kilometre uzaktadır?

• A) 80
• B) 240
• C) 40
• D) 120
• E) 160

Çözüm: d / 4 − d / 8 = d / 8 = 20 eşitliğinden d = 160 km. Cevap: E.

Örnek 4 — Kavram

Soru: Aynı depremin farklı şehirlerde farklı değerler alan ölçüsü hangisidir?

• A) Büyüklük
• B) Odak derinliği
• C) Şiddet
• D) Açığa çıkan enerji
• E) P dalgasının hızı

Çözüm: Şiddet, depremin bir yerdeki etkisidir ve yerden yere değişir. Cevap: C.

• S dalgalarının sıvılardan geçtiğini sanmak. Enine S dalgaları yalnız katılardan geçer.
• En hızlı dalganın en yıkıcı olduğunu düşünmek. En çok hasarı en yavaş olan yüzey dalgaları verir.
• Büyüklük ile şiddeti karıştırmak. Büyüklük enerjiyi, şiddet bir yerdeki etkiyi ölçer.
• Tek istasyonla dış merkezi bulmaya çalışmak. Bir istasyon yalnız uzaklığı verir; en az üç gerekir.
• Büyüklükteki 1 birimlik farkı küçük sanmak. Ölçek logaritmiktir; genlik yaklaşık 10 kat artar.