Zona de sombras

Una zona de sombra sísmica es un área de la superficie terrestre donde los sismógrafos no pueden detectar ondas P ni ondas S directas de un terremoto . Esto se debe a la presencia de capas o estructuras líquidas en la superficie terrestre. La zona de sombra más conocida se da en el límite entre el núcleo y el manto, donde las ondas P se refractan y las ondas S se detienen en el núcleo externo líquido; sin embargo, cualquier límite o cuerpo líquido puede crear una zona de sombra. Por ejemplo, los reservorios de magma con un porcentaje suficientemente alto de fusión pueden crear zonas de sombra sísmica.

La Tierra está compuesta por diferentes estructuras: la corteza , el manto , el núcleo interno y el núcleo externo . La corteza, el manto y el núcleo interno son generalmente sólidos; sin embargo, el núcleo externo es completamente líquido. ^{[ 1 ]} El geólogo Richard Oldham demostró por primera vez la existencia de un núcleo externo líquido en 1906. ^{[ 2 ]} Oldham observó sismogramas de varios terremotos y notó que algunas estaciones sísmicas no registraban ondas S directas, especialmente aquellas que se encontraban a 120° del hipocentro del terremoto. ^{[ 3 ]}

En 1913, Beno Gutenberg observó el cambio abrupto en las velocidades sísmicas de las ondas P y la desaparición de las ondas S en el límite entre el núcleo y el manto. Gutenberg atribuyó este fenómeno a un manto sólido y un núcleo externo líquido, denominándolo discontinuidad de Gutenberg . ^{[ 4 ]}

La principal limitación observacional para identificar capas líquidas y/o estructuras dentro de la Tierra proviene de la sismología . Cuando ocurre un terremoto, las ondas sísmicas se irradian esféricamente desde el hipocentro del terremoto . ^{[ 5 ]} Dos tipos de ondas de cuerpo viajan a través de la Tierra: ondas sísmicas primarias (ondas P) y ondas sísmicas secundarias (ondas S). Las ondas P viajan con movimiento en la misma dirección en que se propaga la onda y las ondas S viajan con movimiento perpendicular a la propagación de la onda (transversal). ^{[ 6 ]}

Las ondas P se refractan por el núcleo externo líquido de la Tierra y no se detectan entre 104° y 140° (entre aproximadamente 11 570 y 15 570  km o 7 190 y 9 670  millas) del hipocentro. ^{[ 7 ] [ 8 ]} Esto se debe a la ley de Snell , donde una onda sísmica encuentra un límite y se refracta o se refleja . En este caso, las ondas P se refractan debido a las diferencias de densidad y reducen considerablemente su velocidad . ^{[ 7 ] [ 9 ]} Esto se considera la zona de sombra de las ondas P. ^{[ 10 ]}

Las ondas S no pueden atravesar el núcleo externo líquido y no se detectan a más de 104° (aproximadamente 11.570  km o 7.190  millas) del epicentro . ^{[ 7 ] [ 11 ] [ 12 ]} Esta se considera la zona de sombra de las ondas S. ^{[ 10 ]} Sin embargo, las ondas P que viajan refractándose a través del núcleo externo y refractándose en otra onda P (onda PKP) al salir del núcleo externo pueden detectarse dentro de la zona de sombra. Además, las ondas S que se refractan en ondas P al entrar en el núcleo externo y luego se refractan en una onda S al salir del núcleo externo también pueden detectarse en la zona de sombra ( ondas SKS ). ^{[ 7 ] [ 13 ]}

La razón de esto es que las velocidades de las ondas P y S están regidas por diferentes propiedades del material a través del cual viajan y por las diferentes relaciones matemáticas que comparten en cada caso. Las tres propiedades son: incompresibilidad (${\displaystyle k}$), densidad (${\displaystyle p}$) y rigidez (${\displaystyle u}$). ^{[ 11 ] [ 14 ]}

La velocidad de la onda P es igual a:

${\displaystyle {\sqrt {(k+{\tfrac {4}{3}}u)/p}}}$

La velocidad de la onda S es igual a:

${\displaystyle {\sqrt {u/p}}}$

La velocidad de las ondas S depende completamente de la rigidez del material por el que se propagan. Los líquidos tienen rigidez cero, por lo que la velocidad de las ondas S es cero cuando se propagan a través de un líquido. En general, las ondas S son ondas de cizallamiento , y el esfuerzo cortante es un tipo de deformación que no puede ocurrir en un líquido. ^{[ 11 ] [ 12 ] [ 14 ]} Por el contrario, las ondas P son ondas de compresión y solo dependen parcialmente de la rigidez. Las ondas P aún mantienen cierta velocidad (puede reducirse considerablemente) cuando se propagan a través de un líquido. ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 14 ] [ 15 ]}

Aunque el límite núcleo-manto proyecta la mayor zona de sombra, estructuras más pequeñas, como cuerpos de magma, también pueden proyectar una zona de sombra. Por ejemplo, en 1981, Páll Einarsson realizó una investigación sísmica en la caldera de Krafla , en el noreste de Islandia. ^{[ 16 ]} En este estudio, Einarsson colocó una densa red de sismómetros sobre la caldera y registró los terremotos que ocurrieron. Los sismogramas resultantes mostraron tanto la ausencia de ondas S como pequeñas amplitudes de ondas S. Einarsson atribuyó estos resultados a la presencia de un reservorio de magma. En este caso, el reservorio de magma tiene un porcentaje de fusión suficiente para que las ondas S se vean directamente afectadas. ^{[ 16 ]} En áreas donde no se registran ondas S, estas encuentran suficiente líquido como para que ningún grano sólido las toque. ^{[ 17 ]} En áreas donde hay ondas S muy atenuadas (de baja amplitud), todavía hay un porcentaje de fusión, pero hay suficientes granos sólidos en contacto como para que las ondas S puedan viajar a través de parte del reservorio de magma. ^{[ 12 ] [ 15 ] [ 18 ]}

Entre 2014 y 2018, un geofísico en Taiwán, Cheng-Horng Lin investigó el reservorio de magma debajo del Grupo Volcánico Tatun en Taiwán. ^{[ 19 ] [ 20 ]} El grupo de investigación de Lin utilizó terremotos profundos y sismómetros en o cerca del Grupo Volcánico Tatun para identificar cambios en las formas de onda P y S. Sus resultados mostraron retrasos de la onda P y la ausencia de ondas S en varias ubicaciones. Lin atribuyó este hallazgo a un reservorio de magma con al menos un 40% de fusión que proyecta una zona de sombra de onda S. ^{[ 19 ] [ 20 ]} Sin embargo, un estudio reciente realizado por la Universidad Nacional Chung Cheng utilizó una densa red de sismómetros y solo vio atenuación de onda S asociada con el reservorio de magma. ^{[ 21 ]} Este estudio de investigación investigó la causa de la zona de sombra de onda S que Lin observó y la atribuyó a un diapiro de magma sobre la placa del Mar de Filipinas en subducción . Aunque no era un depósito de magma, aún existía una estructura con suficiente material fundido/líquido como para causar una zona de sombra de ondas S. ^{[ 21 ]}

La existencia de zonas de sombra, más específicamente zonas de sombra de ondas S, podría tener implicaciones en la capacidad de erupción de los volcanes en todo el mundo. Cuando los volcanes tienen un porcentaje de fusión suficiente para caer por debajo del bloqueo reológico (porcentaje de fracción cristalina cuando un volcán está en erupción o no), esto hace que los volcanes sean eruptivos. ^{[ 22 ] [ 23 ]} Determinar el porcentaje de fusión de un volcán podría ayudar con el modelado predictivo y evaluar los peligros actuales y futuros. En un volcán en erupción activa, el Monte Etna en Italia, se realizó un estudio en 2021 que mostró tanto la ausencia de ondas S en algunas regiones como ondas S altamente atenuadas en otras, dependiendo de dónde se ubican los receptores sobre la cámara magmática. ^{[ 24 ]} Anteriormente, en 2014, se realizó un estudio para modelar el mecanismo que condujo a la erupción del 28 de diciembre de 2014. Este estudio mostró que una erupción podría desencadenarse entre el 30 y el 70 % de fusión. ^{[ 25 ]}

• Onda sísmica
• Trazado de rayos (física)
• onda P
• onda S
• Ley de Snell
• Estructura de la Tierra
• Límite entre el núcleo y el manto