TerraBeat – zemětřesení a sopky

Zemětřesné vlny a jak se dnes měří

Od ohniska napříč Zemí až k seismometru v telefonu

Co se stane v ohnisku

Zemětřesení začíná v ohnisku, kde se horniny na zlomu náhle posunou proti sobě. Uvolněná energie se šíří do okolí jako seismické vlny, podobně jako kruhy na vodě, jen v celém objemu Země.

Vlny se šíří všemi směry, nitrem Země i podél povrchu. Přístroje na povrchu, seismometry, je zaznamenají; zápis chvění se nazývá seismogram. Z něj se určí, kde zemětřesení vzniklo, jak bylo silné, a dokonce i jak vypadá nitro planety.

Prezentace propojuje dvě animace TerraBeatu, skutečná zemětřesení, na nichž je chování vln dobře vidět, a přehled současných způsobů měření.

Vlny P, S a povrchové vlny

Animace ukazuje blok zemské kůry s ohniskem v hloubce 18 km. Jako první vybíhají vlny P (primární), které horninu střídavě stlačují a roztahují. V kůře urazí asi 6 km za sekundu. Za nimi běží vlny S (sekundární), které horninou kmitají napříč, rychlostí asi 3,5 až 4 km/s. Kde vlny dorazí k povrchu, vznikají povrchové vlny: jsou nejpomalejší, ale často mají velké výchylky a trvají dlouho, a proto spolu s vlnami S způsobují většinu škod.

Seismograf vpravo zaznamená vlny jednu po druhé. Čím dál je od ohniska, tím větší je odstup mezi příchodem vln P a S. Každá sekunda odstupu odpovídá zhruba 8 km vzdálenosti. Ze vzdáleností k několika stanicím se pak dopočítá poloha ohniska.

Zdroje: [1] [2]

Sumatra 2004: Země zněla jako zvon

26. prosince 2004 se pod mořem u severní Sumatry a Andamanských ostrovů dal do pohybu obrovský zlom. Zemětřesení mělo magnitudu 9,1 a zlom se trhal asi 10 minut.

Povrchové vlny z něj obíhaly planetu dokola. Na japonské observatoři Amagase se v záznamu podařilo rozlišit až třináct po sobě jdoucích příchodů týchž povrchových vln. Silné zemětřesení navíc rozkmitá celou Zemi: planeta se smršťuje a rozpíná s periodou asi 20,5 minuty a povrch se přitom zvedá a klesá jen asi o desetinu milimetru. Tyto vlastní kmity Země zaznamenávala Globální seismografická síť déle než pět měsíců.

Scéna ukazuje zemětřesení od M 4,5 od prosince 2004 do dubna 2005. 28. března 2005 přišlo jižněji další zemětřesení, M 8,6 u ostrova Nias.

Zdroje: [3] [4] [5] [6]

Denali 2002: vlny probudily gejzíry

3. listopadu 2002 zasáhlo vnitrozemí Aljašky zemětřesení M 7,9 na zlomu Denali. Ohnisko leželo jen asi 4 km pod povrchem.

Povrchové vlny doběhly až do Yellowstonského národního parku, vzdáleného přibližně 3 100 km. Během několika hodin po jejich příchodu změnilo několik gejzírů rytmus erupcí a u gejzírových polí začaly roje drobných zemětřesení, a to na několika místech současně. Vlny podle autorů studie nejspíš uvolnily ucpané pukliny, kudy proudí horká voda, a voda tlačená do nových míst pak spustila drobná zemětřesení.

Přehrávání ukazuje zemětřesení od M 2,5 od konce října 2002 do ledna 2003. Dotřesy se řadí do dlouhého pásu podél zlomu.

Zdroje: [6] [7]

Mexiko 1985: když podloží vlny zesílí

19. září 1985 ráno vzniklo na styku desek pod pobřežím státu Michoacán zemětřesení M 8,0. Nejhorší škody ale nebyly u pobřeží. Odehrály se v hlavním městě Mexiku, vzdáleném přes 350 km.

Město Mexiko stojí z velké části na dně vysušeného jezera Texcoco. Měkké jezerní usazeniny se chovají jinak než pevná skála: chvění zesilují a silné otřesy v nich trvají déle. Výpočty pro mexické údolí ukázaly, že jílovitá vrstva pod městem dokáže chvění určitých period zesílit víc než desetkrát. Zřítilo se 412 vícepodlažních budov, nejčastěji o 8 až 18 podlažích. Přesný počet obětí není znám, oficiální údaje se liší od 9 500 do 35 000.

Scéna ukazuje hlavní otřes a dotřesy do konce roku 1985, mezi nimi M 7,6 o 36 hodin později. Po této katastrofě vznikl mexický systém včasného varování SASMEX.

Zdroje: [6] [8] [9] [21]

Bolívie 1994: z hloubky 631 km až do Kanady

9. června 1994 vzniklo pod Bolívií zemětřesení M 8,2. Jeho ohnisko leželo hluboko v zemském plášti, asi 631 km pod povrchem. Podle USGS to bylo nejspíš nejsilnější zemětřesení, jaké kdy bylo v této oblasti zaznamenáno.

Otřesy byly cítit v La Paz i v Brazílii, ale také v Severní Americe: v Los Angeles, Chicagu, Bostonu a v kanadském Torontu, zhruba 6 500 km od epicentra. Šlo nejspíš o první zemětřesení z této části Jižní Ameriky, které lidé v Severní Americe pocítili.

Ve scéně je vidět, jak ohniska pod Andami klesají od pobřeží k východu. Bolivijské zemětřesení je zvýrazněné mezi nejhlubšími ohnisky, kolem 630 km pod povrchem.

Zdroje: [6] [10]

Napříč celou Zemí

Animace ukazuje řez Zemí. S hloubkou roste rychlost vln, proto se jejich dráhy v plášti ohýbají do oblouků a vracejí k povrchu. Na hranici s jádrem v hloubce asi 2 900 km se vlny P prudce lomí, protože ve vnějším tekutém jádru zpomalí. Vlny S kapalinou neprojdou vůbec.

Stanice na povrchu se rozsvěcují, jak k nim vlny dorazí. Část stanic ale zůstane potemnělá: vlny S za vzdáleností asi 104° (úhel měřený od zemětřesení přes střed Země) nepřicházejí a přímé vlny P chybí mezi 104° a 140°. Tato stínová zóna je jedním z hlavních důkazů, že Země má tekuté vnější jádro.

Zdroje: [11] [13]

Jak se našlo jádro Země

Irský geolog Richard Dixon Oldham, který pracoval v Indii, rozlišil kolem roku 1900 v záznamech tři druhy vln: tlakové, příčné a povrchové. V roce 1906 si všiml, že vlny na stanice vzdálené víc než asi 120° od zemětřesení přicházejí jinak, než by měly: opožděné, nebo vůbec ne. Usoudil, že v nitru Země je velké jádro o poloměru asi 40 % poloměru Země, a nakreslil první schéma jádra s drahami vln.

Německý seismolog Beno Gutenberg v Göttingenu krátce před první světovou válkou ze seismických záznamů určil, že hranice jádra leží v hloubce asi 2 900 km. Že je vnější jádro tekuté, se ukázalo až ve 20. letech 20. století.

Dánská seismoložka Inge Lehmannová si v záznamech zemětřesení z Nového Zélandu z roku 1929 všimla slabých vln P uvnitř stínové zóny, kam by podle tehdejších představ dorazit neměly. V roce 1936 je vysvětlila pevným vnitřním jádrem uvnitř tekutého vnějšího jádra.

Zdroje: [12] [13] [14]

Seismometry po celém světě

Dnešní širokopásmové seismometry zachytí jak prudké chvění blízko ohniska, tak nejpomalejší kmity celé Země. Globální seismografická síť (GSN), kterou společně provozují americká Národní vědecká nadace (NSF) a USGS s partnery po světě, měla v roce 2022 152 stanic. Jejich data jsou volně dostupná v reálném čase.

GSN je součástí Mezinárodní federace digitálních seismografických sítí (FDSN), v níž spolupracují národní a regionální sítě z celého světa. Data GSN slouží k určování poloh zemětřesení i k varování před tsunami.

Mapa ukazuje zemětřesení od M 4,5 za poslední rok, jak je zaznamenaly seismické sítě a zpracovaly katalogy.

Zdroje: [15]

Poloha a magnituda během minut

Počítače seismologických center hlídají data stanic nepřetržitě. Jakmile vlna P projde několika stanicemi, zapíšou se časy jejího příchodu. Program pak zkouší polohu, hloubku a čas vzniku zemětřesení tak dlouho, až předpovězené časy příchodu sedí s naměřenými. Například v Kalifornii a Nevadě bývala v roce 2008 poloha známá zhruba do minuty a spolehlivá magnituda asi do pěti minut. Zemětřesení zhruba od M 3,5 ještě zkontroluje seismolog ve službě.

Magnitudu vymyslel Charles Richter ve 30. letech 20. století pro jižní Kalifornii. Jeho stupnice ale platí jen pro určité vzdálenosti a druhy vln a pro velmi silná zemětřesení není spolehlivá. Dnes se proto používá momentová magnituda Mw. Vychází z plochy zlomu a velikosti posunu na něm, souvisí s celkovou uvolněnou energií a popisuje velikost zemětřesení spolehlivě v celém rozsahu, i u těch největších.

Zdroje: [16] [17] [18]

Včasné varování: Tóhoku 2011

Elektrický signál je mnohem rychlejší než seismické vlny. Pokud stanice blízko ohniska zachytí první vlny P, může varování dorazit do vzdálenějších míst dřív, než tam přijdou silné vlny S a povrchové vlny. Nejde o předpověď: zemětřesení už začalo, varování jen předbíhá vlny. Japonská meteorologická agentura (JMA) rozesílá taková varování celostátně od října 2007.

11. března 2011 zachytila první stanice vlnu P zemětřesení Tóhoku ve 14:46:40 místního času. Za 8,6 sekundy vydal systém varování pro oblast Tóhoku, které se automaticky šířilo televizí, rozhlasem a mobilními telefony. V celé oblasti Tóhoku přišlo víc než 15 sekund před silnými otřesy.

V okamžiku varování ale systém odhadoval magnitudu jen na 7,2, skutečná byla 9,1. Pro Tokio očekával i v posledních upřesněních jen otřesy intenzity 4 japonské stupnice, a varování pro něj proto nevydal. Přišla intenzita 5+, silnější než mez pro varování. Autoři rozboru to přičítají obrovskému rozsahu zlomu, který se trhal stovky kilometrů daleko od místa, kde zemětřesení začalo.

Zdroje: [1] [6] [19] [20]

Varování v Mexiku, USA a v telefonech

Mexický systém SASMEX začal fungovat v srpnu 1991 a od srpna 1993 jako první na světě vysílá varování veřejnosti rozhlasem a televizí. Stanice podél pobřeží jsou od hlavního města tak daleko, že varování před zemětřesením na styku desek u pobřeží přichází do města Mexika obvykle nejméně 50 sekund před silnými otřesy. V roce 2022 měl systém 97 stanic a varování podle odhadu dostávalo asi 25 milionů lidí.

Na západním pobřeží USA funguje systém ShakeAlert, který provozuje USGS. Veřejná varování vysílá od října 2019 v Kalifornii, od března 2021 v Oregonu a od května 2021 ve Washingtonu.

Jako seismometry se dnes využívají i telefony s Androidem. Snímače zrychlení v nehybných telefonech hlásí náhlé chvění a servery z hlášení mnoha telefonů rozpoznají zemětřesení. Podle studie zveřejněné v roce 2025 fungoval systém v letech 2021–2024 v 98 zemích a naléhavé varování „jednejte hned“ vyslal v průměru asi 60krát měsíčně.

Zdroje: [21] [22] [23]

Družice měří, jak se pohnula pevnina

Přijímače družicové navigace (GNSS, mezi nimi americký GPS) pevně ukotvené v zemi nepřetržitě měří svou polohu, a tak prozradí, o kolik se pohnula pevnina. Japonsko má jejich síť GEONET. Při zemětřesení Tóhoku v roce 2011 naměřila největší posun od roku 1994: poloostrov Oshika se posunul vodorovně o 5,3 m a pobřeží Tichého oceánu kleslo až o 1,2 m.

Radarové družice snímkují stejné území opakovaně. Metoda InSAR porovná dva snímky z různých dnů a ukáže, o kolik se povrch mezi nimi přiblížil k družici nebo se od ní vzdálil. Radar vidí i přes mraky a v noci. Po zemětřesení Tóhoku doplnily měření sítě GEONET snímky japonské radarové družice ALOS.

Zdroje: [24] [25]

Optické kabely a stanice na mořském dně

Do optického vlákna se z jednoho konce posílají laserové pulzy. Drobné nepravidelnosti ve skle odrážejí trochu světla zpět, a když seismická vlna kabel nepatrně natáhne nebo stlačí, změní se doba návratu světla. Každý úsek kabelu se tak chová jako samostatný seismometr. Metoda se jmenuje distribuované akustické snímání (DAS). Při zemětřesení M 6 v Kalifornii v roce 2021 stačilo 100 km kabelu, které odpovídalo asi 10 000 seismometrům, aby se ukázalo, že se zemětřesení skládalo ze čtyř po sobě jdoucích dílčích otřesů, které běžná síť seismometrů nerozlišila.

Zemětřesení Tóhoku ukázalo, že na moři chybějí stanice, které by zemětřesení a vznik tsunami sledovaly přímo na místě. Japonsko proto položilo síť S-net: 150 observatoří na dně oceánu spojených asi 5 700 km optického kabelu podél Japonského a Kurilského příkopu. Spolu se sítí DONET a pevninskými sítěmi tvoří systém MOWLAS, který hlídá zemětřesení i tsunami.

Zdroje: [26] [27] [28]

Seismologie pro každého

Seismometr dnes nemusí stát jen ve výzkumných ústavech. Občanské seismometry, mezi nimiž převládají přístroje Raspberry Shake, tvoří síť AM, která je od roku 2016 zapsaná v mezinárodní federaci FDSN vedle sítí výzkumných ústavů. Její data lze citovat ve vědeckých článcích.

Aplikaci MyShake vyvinula Berkeleyská seismologická laboratoř a Kalifornie ji přijala jako svou oficiální varovnou aplikaci. Telefony s Androidem zase slouží jako hustá síť snímačů i v zemích, které vlastní varovný systém nemají.

Zdroje: [22] [23] [29]

Jak se měří v Česku

Česká regionální seismická síť funguje od roku 1973. Provozuje ji několik institucí: Geofyzikální ústav AV ČR, Ústav struktury a mechaniky hornin AV ČR, Ústav geoniky AV ČR, Univerzita Karlova a Masarykova univerzita.

Pro zemětřesné roje v západních Čechách vznikla místní síť WEBNET. První stanice postavili seismologové po silném roji v letech 1985–86, dnes má 23 stanic a většina z nich posílá data v reálném čase. Automaticky určené polohy se mohou mýlit o několik kilometrů, ručně zkontrolované jsou přesné až na 200 m.

Scéna ukazuje otřesy v západních Čechách. Díky husté síti blízkých stanic tvoří ohniska pod Novým Kostelem ostře ohraničený shluk.

Zdroje: [30] [31] [32]

Shrnutí

Zemětřesení vysílá vlny P, S a povrchové vlny. Odstup jejich příchodu prozrazuje vzdálenost, tvar jejich drah stavbu nitra Země. Na skutečných zemětřeseních je vidět, že vlny dokážou obíhat planetu, ovlivnit gejzíry 3 100 km daleko, zesílit se v měkkém podloží a z velké hloubky doběhnout přes celý kontinent.

Dnes zemětřesení měří tisíce seismometrů na pevnině i na dně moří, družice, optické kabely i telefony. Poloha a magnituda bývají známé během minut a v některých zemích přichází varování dřív než silné otřesy.

Obě animace jsou na stránce Jak se šíří zemětřesné vlny. Mapa ukazuje zemětřesení z posledních hodin, dní i let a stránka 3D a řezy jejich ohniska v hloubce.

Zdroje

  1. Earthquake Early Warning – Overview (How the ShakeAlert System Works), USGS
  2. Magnitude 4.1 Earthquake Near Jonesboro Arkansas (cvičení: určení polohy zemětřesení), Saint Louis University, Earth and Atmospheric Sciences
  3. Did you know that after a large earthquake, the Earth “rings” like a gong?, IRIS
  4. Earth's Free Oscillations Excited by the 26 December 2004 Sumatra-Andaman Earthquake, Park a kol., Science 308 (2005)
  5. Strain seismograms from Off the west coast of northern Sumatra earthquake recorded at Amagase observatory, Morii, Japan Geoscience Union Meeting (2005)
  6. Katalog zemětřesení USGS (FDSN event service): M 7,5+ v letech 1985–2011, USGS
  7. Changes in geyser eruption behavior and remotely triggered seismicity in Yellowstone National Park produced by the 2002 M 7.9 Denali fault earthquake, Alaska, Husen a kol., Geology 32 (2004)
  8. Today in Earthquake History: Mexico City 1985, Berkeley Seismology Lab, Seismo Blog (2008)
  9. The Mexico Earthquake of September 19, 1985 – A Theoretical Investigation of Large- and Small-scale Amplification Effects in the Mexico City Valley, Bard a kol., Earthquake Spectra 4 (1988)
  10. Historic Earthquakes: Bolivia 1994 June 09, USGS (archivní stránka)
  11. Seismic Shadow Zone: Basic Introduction, IRIS
  12. Scientist of the Day – Richard Oldham, Linda Hall Library
  13. Beno Gutenberg, European Geophysical Society
  14. In Lehmann’s Terms – the Story of the Singular Seismic-Wave Spotter, EGU Seismology Division blog (2023)
  15. Global Seismographic Network (GSN), IRIS (archiv 2022) (2022)
  16. How do seismologists locate an earthquake?, USGS
  17. What Happens When an Earthquake Occurs?, USGS (archivní stránka) (2008)
  18. Moment magnitude, Richter scale – what are the different magnitude scales, and why are there so many?, USGS
  19. Outline of the 2011 off the Pacific coast of Tohoku Earthquake (Mw 9.0) – Earthquake Early Warning and observed seismic intensity, Hoshiba a kol., Earth, Planets and Space 63 (2011)
  20. March 11, 2011 M9.0 Tohoku, Japan Earthquake Early Warning Times, USGS (podle Wald, Earthquake Spectra 2020)
  21. The Seismic Early Warning System of Mexico (SASMEX): A Retrospective View and Future Challenges, Suárez, Frontiers in Earth Science (2022)
  22. Alerts for the Whole West Coast, Berkeley Seismology Lab, Seismo Blog (2021)
  23. Android phone network makes an effective early warning system for earthquakes, Physics World (2025)
  24. Crustal Deformation and Fault Model of The 2011 off the Pacific coast of Tohoku Earthquake, Tobita a kol. (GSI), Japan Geoscience Union Meeting (2011)
  25. InSAR – Satellite-based technique captures overall deformation “picture”, USGS
  26. Fiber Optic Cables Detect and Characterize Earthquakes, Caltech (2023)
  27. Seafloor Observation Network for Earthquakes and Tsunamis along the Japan Trench (S-net), Mochizuki a kol. (NIED), Japan Geoscience Union Meeting (2016)
  28. About MOWLAS, NIED
  29. AM: Raspberry Shake, FDSN
  30. Czech Regional Seismic Network (CZ), FDSN
  31. West Bohemia Local Seismic Network – WEBNET (WB), FDSN
  32. Local seismic network WEBNET, Geofyzikální ústav AV ČR