Skala Richtera odeszła do historii. Naukowcy zastąpili ją dokładniejszą metodą

Spis treści:

1. Skala Richtera to nieistniejące pojęcie
2. Wykres Richtera
3. Skutki trzęsień ziemi
4. Zmierzch skali Richtera
5. Najsilniejsze trzęsienia ziemi w nowożytnej historii

Kiedy ziemia zaczyna drżeć, a budynki kołyszą się niczym targane wiatrem drzewa, pojawia się pytanie: „Ile w skali Richtera?”. Ta jedna wartość, najczęściej mieszcząca się w przedziale od 1 do 9, stała się ostatecznym wyznacznikiem skali katastrofy. Zaczęło się od próby uporządkowania danych w laboratorium w Kalifornii, a skończyło na systemie, który monitoruje puls całej planety.

Skala Richtera to nieistniejące pojęcie

Gdy gdzieś na świecie zadrży ziemia, nagłówki gazet i portali internetowych „krzyczą” o sile wstrząsów, wyrażonej w skali Richtera. Czy to zwykłe przyzwyczajenie, czy raczej celowo używane uproszczenie? Trudno powiedzieć, jednak oczywiste jest, że używanie nazwiska sławnego sejsmologa w kontekście miary siły kataklizmu jest ewidentnym błędem – z dwóch powodów.

Po pierwsze, Charles Richter nigdy nie nazwał swoim nazwiskiem skali, którą opracował wspólnie z Beno Gutenbergiem. Po drugie, oryginalna skala miała poważne ograniczenia, które dla nauki były niedopuszczalne. Z tego powodu od kilkudziesięciu lat nie jest stosowana.

Przed opracowaniem magnitudy

Zanim Richter nakreślił swoje słynne krzywe, świat polegał na skalach intensywności. Najczęściej stosowana była skala Mercalliego i jej późniejsze modyfikacje. Problem w tym, że nie mierzyły one trzęsienia ziemi jako zjawiska fizycznego u źródła, a jedynie jego skutki na powierzchni. Oznacza to, że wstrząsy, które nawiedzały obszary niezurbanizowane i niezamieszkane, właściwie były ignorowane. W tej sytuacji, nie można było zrozumieć zjawiska tektoniki płyt i dynamiki wnętrza Ziemi. Nauka potrzebowała miary bezwzględnej.

Wykres Richtera

W 1935 roku Charles Richter opublikował przełomową pracę, w której zdefiniował to, co dziś nazywamy „skalą Richtera”, a co naukowo określane jest mianem magnitudy lokalnej. Swoją metodę pomiarową oparł na konkretnym instrumencie – sejsmografie torsyjnym Wooda-Andersona. Jej definicja była ściśle empiryczna – magnituda to logarytm dziesiętny z maksymalnej amplitudy fali (mierzonej w mikrometrach), zarejestrowanej przez standardowy sejsmograf Wooda-Andersona, znajdujący się w odległości 100 km od epicentrum.

Skala Richtera jest więc skalą logarytmiczną o podstawie 10. Oznacza to, że każdy pełny stopień magnitudy odpowiada dziesięciokrotnemu wzrostowi amplitudy fali sejsmicznej na zapisie sejsmografu:

• trzęsienie o magnitudzie 5,0 kreśli na papierze linię 10 razy wyższą niż trzęsienie 4,0;
• trzęsienie o magnitudzie 6,0 kreśli linię 100 razy wyższą niż trzęsienie 4,0;
• trzęsienie o magnitudzie 7,0 kreśli linię 1000 razy wyższą niż trzęsienie 4,0.

Chcąc narysować wstrząsy na jednej kartce papieru w skali liniowej i przyjmując, że trzęsienie o magnitudzie 3 to 1 mm, wstrząsy o magnitudzie 9 wymagałyby kartki o długości… 1 km. Logarytm kompresuje te dane do zarządzalnych cyfr od 1 do 9.

Amplituda a energia

W tym miejscu należy jednak podkreślić, że amplituda, czyli wychylenie gruntu, nie jest równoznaczna z energią, czyli mocą niszczącą. Relacja między tymi wartościami nie jest liniowa. Energia jest proporcjonalna do amplitudy podniesionej do potęgi 1,5. Zwiększenie magnitudy o 1 stopień to ok. 32 razy więcej energii. O 2 stopnie – ok. 1000 razy więcej energii.

Jak to wygląda w praktyce? Implikacje są iście porażające:

• trzęsienie 6,0 jest 32 razy silniejsze od 5,0;
• trzęsienie 7,0 jest 1000 razy silniejsze od 5,0;
• trzęsienie 9,0 jest 1000000 razy silniejsze od 5,0.

To dlatego trzęsienia o magnitudzie 5,0 są często uważane za „umiarkowane” i rzadko powodują zawalenia budynków, podczas gdy trzęsienia 8,0 potrafią zrównać z ziemią całe regiony.

Cichy współtwórca

Mówiąc o skali Richtera, nie można nie wspomnieć o Beno Gutenbergu. To właśnie niemiecki sejsmolog, patrząc na dane zebrane przez Richtera, zasugerował kluczowe rozwiązanie matematyczne – użycie skali logarytmicznej. Richter początkowo oponował. Ostatecznie jednak pragmatyzm zwyciężył. Bez logarytmów skala byłaby niemożliwa do graficznego przedstawienia.

Skutki trzęsień ziemi

Co oznaczają poszczególne stopnie na skali? Wstrząsy o magnitudzie z pierwszej połowy skali nie są szczególnie niebezpieczne, ale te z przeciwległego końca oznaczają kataklizm o sile, którą trudno sobie wyobrazić:

• <2,0 – to najmniejsze wstrząsy, które najczęściej są niewyczuwalne;
• 2,0-3,4 – takie wstrząsy odczuje tylko niewielka grupa ludzi;
• 3,5-4,2 – te wstrząsy odczuje większość ludzi na danym obszarze, ale wciąż są one niewielkie;
• 4,3-4,8 – są odczuwalne przez wszystkich, ale nadal nieszkodliwe;
• 4,9-5,4 – to wstrząsy powodujące niewielkie zniszczenia;
• 5,5-6,1 – to średnie wstrząsy, mogące doprowadzić do uszkodzenia budynków;
• 6,2-6,9 – to duże wstrząsy, powodujące znaczne zniszczenia;
• 7,0-7,3 – takie wstrząsy wywołują już znaczne zniszczenia;
• 7,4-8,0 – w tym przypadku należy już mówić o ogromnych zniszczeniach;
• 8,1-8,9 – takie wstrząsy wywołują katastrofalne skutki;
• ≥9,0 – takie trzęsienie ziemi generuje energię, która może zburzyć wszystkie miasta na obszarze większym niż kilkanaście tysięcy kilometrów kwadratowych.

Zmierzch skali Richtera

Mimo swojej genialnej prostoty, oryginalna skala Richtera miała poważne ograniczenia. Została skalibrowana dla geologii Kalifornii i konkretnego typu sejsmografu. Gdy naukowcy zaczęli stosować ją do trzęsień w innych częściach świata i – co ważniejsze – do trzęsień potężniejszych niż te, które Richter obserwował w latach 30., napotkali na poważny problem.

Skala autorstwa Richtera i Gutenberga opierała się na falach o stosunkowo wysokiej częstotliwości. Przy trzęsieniach powyżej magnitudy 6,5–7,0 ich amplituda przestaje rosnąć proporcjonalnie do energii uwalnianej w ognisku. Dzieje się tak, ponieważ przy bardzo dużych pęknięciach energia jest emitowana w postaci fal o bardzo długim okresie, których sejsmografy Wooda-Andersona „nie słyszały” poprawnie. Efekt? Trzęsienia o rzeczywistej sile 8,0 i 9,0 dawały na starej skali niemal ten sam wynik – około 7,0 lub nieco więcej.

Rewolucja momentu sejsmicznego

W latach 70. XX wieku sejsmolodzy Hiroo Kanamori i Thomas Hanks wprowadzili skalę znaną jako magnituda momentu sejsmicznego. W przeciwieństwie do metody Richtera, która była tylko pomiarem amplitudy fali, magnituda momentu jest miarą samej przyczyny – fizycznej pracy wykonanej podczas pękania skał.

Metoda ta ma kluczową zaletę – w przeciwieństwie do skali Richtera, nie ulega nasyceniu, czyli może rosnąć tak długo, jak długo rośnie trzęsienie ziemi. Pozwoliła ona precyzyjnie odróżnić trzęsienie 8,8 od 9,0, co ma kluczowe znaczenie dla szacowania ryzyka tsunami.

Dziś, gdy USGS lub inne agencje podają „magnitudę trzęsień ziemi”, w większości przypadków dla silnych wstrząsów (powyżej 4,0) jest to właśnie magnituda momentu sejsmicznego, choć media najczęściej wciąż dodają „w skali Richtera”. Jest to naukowo niepoprawne, ale kulturowo i historycznie – całkowicie zrozumiałe.

Najsilniejsze trzęsienia ziemi w nowożytnej historii

W XX i XXI wieku nie brakowało tragicznych momentów, gdy skala została „przetestowana” do górnych wartości:

• Valdivia, Chile (1960 rok) – 9,5;
• Prince William Sound, Alaska (1964 rok) – 9,2;
• Sumatra, Indonezja (2004 rok) – 9,1;
• Tohoku, Japonia (2011 rok) – 9,1;
• Kamczatka, Rosja (1952 rok) – 9,0.

Źródło: National Geographic Polska

Nasz autor

Artur Białek

Dziennikarz i redaktor. Wcześniej związany z redakcjami regionalnymi, technologicznymi i motoryzacyjnymi. W „National Geographic” pisze przede wszystkim o historii, kosmosie i przyrodzie, ale nie boi się żadnego tematu. Uwielbia podróżować, zwłaszcza rowerem na dystansach ultra. Zamiast wygodnego łóżka w hotelu, wybiera tarp i hamak. Prywatnie miłośnik literatury.