Sismologia (Seismology)

Sismologia (; do grego antigo σεισμός (sesmós), que significa 'terremoto', e -λογία (-logía), que significa 'estudo de') é o estudo científico de terremotos…

Sismologia (; derivado do grego antigo σεισμός (seismós), que significa 'terremoto', e -λογία (-logía), que significa 'estudo de') constitui a disciplina científica dedicada à investigação de terremotos (ou, mais amplamente, terremotos) e à geração e propagação de ondas elásticas através de corpos planetários. Este campo também abrange a investigação sobre os impactos ambientais de eventos sísmicos, como tsunamis; outras fontes sísmicas naturais, incluindo vulcões, placas tectónicas, glaciares, rios, microssismos oceânicos e fenómenos atmosféricos; e processos antropogênicos como explosões.

A paleoseismologia representa uma disciplina relacionada que emprega evidências geológicas para deduzir informações sobre terremotos históricos. Um sismograma é definido como um registro temporal do movimento da Terra, produzido por um sismógrafo. Um sismólogo é um cientista envolvido em pesquisas sismológicas fundamentais ou aplicadas.

Histórico

Eras Antigas e Clássicas

A investigação acadêmica sobre terremotos remonta à antiguidade. As primeiras hipóteses sobre as origens naturais dos terremotos foram documentadas nos escritos de Tales de Mileto (c. 585 aC), Anaxímenes de Mileto (c. 550 aC), Aristóteles (c. 340 aC) e Zhang Heng (132 dC).

Em 132 dC, Zhang Heng, da dinastia Han da China, projetou o primeiro sismoscópio conhecido.

Gênese da Ciência Moderna

Durante o século XVII, Athanasius Kircher postulou que os terremotos resultavam do movimento do fogo subterrâneo dentro de um intricado sistema de canais internos da Terra. Posteriormente, Martin Lister (1638-1712) e Nicolas Lemery (1645-1715) propuseram que as explosões químicas que ocorriam na Terra eram os agentes causadores dos terremotos.

O terremoto de Lisboa de 1755, ocorrendo simultaneamente com um período de avanço científico significativo na Europa, estimulou esforços científicos intensificados para compreender o comportamento e a etiologia dos terremotos. As contribuições iniciais incluíram o trabalho de John Bevis (1757) e John Michell (1761). Michell concluiu que os terremotos se originam na Terra e representam ondas de movimento geradas por "mudanças de massas rochosas quilômetros abaixo da superfície".

Após uma série de eventos sísmicos perto de Comrie, na Escócia, em 1839, um comitê foi estabelecido no Reino Unido para desenvolver metodologias aprimoradas de detecção de terremotos. Esta iniciativa culminou na criação de um dos primeiros sismógrafos modernos por James David Forbes, que foi inicialmente apresentado num relatório de David Milne-Home em 1842. Este instrumento, um pêndulo invertido, registava medições de atividade sísmica utilizando um lápis posicionado acima do pêndulo para marcar o papel. No entanto, os relatórios de Milne indicaram que os projetos propostos não se mostraram eficazes.

Começando em 1857, Robert Mallet estabeleceu os princípios fundamentais da sismologia instrumental moderna e conduziu experimentos sismológicos utilizando explosivos. Ele também é creditado por cunhar o termo "sismologia" e é amplamente reconhecido como o "Pai da Sismologia". Em 1889, Ernst von Rebeur-Paschwitz registrou com sucesso o primeiro sinal telessísmico de terremoto, originado de um terremoto no Japão e detectado em Potsdam, Alemanha. conclusão derivada de sua análise dos terremotos de Kumamoto de 1889, Mino-Owari de 1891 e Kagoshima de 1893. Em 1897, os cálculos teóricos de Emil Wiechert o levaram a inferir que o interior da Terra compreende um manto de silicato envolvendo um núcleo de ferro. ondas de superfície em sismogramas, fornecendo assim a primeira evidência clara da existência do núcleo central da Terra.

Em 1909, Andrija Mohorovičić, uma figura central no desenvolvimento da sismologia moderna, descobriu e definiu formalmente a descontinuidade de Mohorovičić. Comumente chamada de "descontinuidade de Moho" ou simplesmente "Moho", esta fronteira separa a crosta terrestre de seu manto. A sua definição baseia-se na mudança pronunciada na velocidade das ondas sismológicas à medida que atravessam regiões de densidades rochosas variadas. Em 1910, após a sua investigação do terramoto de Abril de 1906 em São Francisco, Harry Fielding Reid avançou a "teoria do rebote elástico", que continua a ser uma pedra angular dos estudos tectónicos contemporâneos. A formulação desta teoria dependeu significativamente de avanços anteriores substanciais na compreensão do comportamento dos materiais elásticos e no campo da matemática.

O terremoto de janeiro de 1920 em Xalapa deu origem a uma das primeiras investigações científicas sobre tremores secundários após um evento sísmico destrutivo. Um sismógrafo Wiechert de 80 kg (180 lb) foi transportado por trem para Xalapa, no México, após o terremoto. Este instrumento foi então implantado para documentar os tremores secundários que se seguiram. Em última análise, os dados adquiridos do sismógrafo revelaram que o choque principal se originou ao longo de uma falha crustal rasa. Harold Jeffreys, em 1926, tornou-se o primeiro a propor que o núcleo da Terra, situado abaixo do manto, existe em estado líquido, uma conclusão derivada de sua análise de ondas de terremoto.

A pesquisa de Inge Lehmann em 1937 estabeleceu a presença de um núcleo interno sólido dentro do líquido externo da Terra. núcleo.

Michael S. Longuet-Higgins, em 1950, esclareceu os processos oceânicos que geram o microssismo sísmico de fundo global.

Na década de 1960, os avanços nas ciências da Terra culminaram na integração de uma teoria abrangente que explica a gênese de eventos sísmicos e movimentos geodésicos, formando a agora amplamente aceita teoria das placas tectônicas.

Tipos de ondas sísmicas

Ondas sísmicas são definidas como perturbações elásticas que se propagam através de meios sólidos ou fluidos. Essas ondas são categorizadas em três tipos principais: ondas corporais, que atravessam a estrutura interna dos materiais; ondas superficiais, que se propagam ao longo das fronteiras ou interfaces entre diferentes materiais; e modos normais, que representam uma forma de onda estacionária.

Ondas Corporais

As ondas corporais compreendem duas categorias distintas: ondas primárias (ondas P), também conhecidas como ondas de pressão, e ondas secundárias (ondas S), ou ondas de cisalhamento. As ondas P são ondas longitudinais caracterizadas pelo movimento compressivo e extensional das partículas, que ocorre paralelamente à direção de propagação da onda. Sendo as ondas sísmicas mais rápidas em meios sólidos, as ondas P são invariavelmente as chegadas iniciais registadas num sismograma. Por outro lado, as ondas S são ondas transversais que envolvem deformação por cisalhamento, com movimento das partículas perpendicular à direção de propagação da onda. As ondas S exibem velocidades mais lentas do que as ondas P, consequentemente aparecendo mais tarde nos sismogramas. Devido à sua inerente falta de resistência ao cisalhamento, os fluidos são incapazes de sustentar ondas elásticas transversais; assim, as ondas S se propagam exclusivamente através de materiais sólidos.

Ondas de superfície

As ondas de superfície originam-se da interação das ondas P e ondas S com a superfície da Terra. Essas ondas exibem dispersão, o que implica que suas velocidades variam com a frequência. Os dois principais tipos de ondas de superfície são as ondas Rayleigh, caracterizadas por movimentos compressivos e de cisalhamento, e as ondas Love, que são exclusivamente de cisalhamento. As ondas Rayleigh surgem da interação de ondas P e ondas S verticalmente polarizadas na superfície e podem se propagar através de qualquer meio sólido. As ondas de amor são geradas por ondas S polarizadas horizontalmente interagindo com a superfície e requerem uma variação nas propriedades elásticas com a profundidade dentro de um meio sólido para existirem, uma condição consistentemente atendida em contextos sismológicos. As ondas de superfície se propagam em velocidades mais lentas do que as ondas P e as ondas S, uma consequência de seus caminhos de propagação indiretos envolvendo interação com a superfície da Terra. Sua energia atenua menos rapidamente do que a das ondas corporais (seguindo uma relação 1/distância² em vez de 1/distância³) devido ao seu confinamento à superfície. Consequentemente, o movimento do solo induzido pelas ondas de superfície é tipicamente mais pronunciado do que aquele causado pelas ondas corporais, muitas vezes resultando em ondas de superfície sendo os sinais mais proeminentes nos sismogramas de terremotos. As ondas de superfície são fortemente excitadas por fontes superficiais, como terremotos superficiais ou explosões próximas à superfície, mas são significativamente atenuadas para origens sísmicas mais profundas.

Modos normais

Embora as ondas corporais e as ondas superficiais sejam fenómenos de propagação, sismos significativos possuem a capacidade de induzir uma oscilação global, fazendo com que a Terra “toque” como um sino ressonante. Esta resposta oscilatória compreende uma superposição de modos normais, caracterizados por frequências discretas e períodos geralmente de uma hora ou menos. Os deslocamentos de modo normal resultantes de terremotos excepcionalmente grandes podem persistir e ser detectáveis por até um mês após o evento. As observações iniciais dos modos normais ocorreram na década de 1960, coincidindo com o desenvolvimento de instrumentação de maior fidelidade e dois dos eventos sísmicos mais poderosos do século XX: o terremoto de Valdivia em 1960 e o terremoto no Alasca em 1964. Após estas descobertas, os modos normais da Terra forneceram restrições cruciais para a compreensão da estrutura interna profunda do planeta.

Terremotos

O terramoto de Lisboa de 1755 motivou uma das primeiras investigações científicas sobre eventos sísmicos. Os terremotos significativos subsequentes, como os terremotos de 1857 em Basilicata, 1906 em São Francisco, 1964 no Alasca, 2004 Sumatra-Andaman e os grandes terremotos no Leste do Japão em 2011, impulsionaram um progresso substancial no campo da sismologia.

Fontes Sísmicas Controladas

Na geofísica, as ondas sísmicas geradas por explosões ou fontes vibratórias controladas com precisão constituem uma técnica principal para exploração de subsuperfície, complementando várias metodologias eletromagnéticas como polarização induzida e magnetotelúrica. A sismologia de fonte controlada tem sido fundamental no delineamento de características geológicas, como cúpulas de sal, anticlinais, outras armadilhas rochosas contendo petróleo, falhas, diversos tipos de rochas e crateras de impacto antigas e profundamente enterradas. Uma ilustração notável é a Cratera Chicxulub, uma estrutura de impacto ligada ao evento de extinção dos dinossauros, que foi inicialmente identificada na América Central através da análise de material ejetado dentro da fronteira Cretáceo-Paleógeno e posteriormente confirmada através de mapeamento sísmico derivado de dados de exploração de petróleo.

Detecção de ondas sísmicas

Sismômetros são sensores especializados projetados para detectar e registrar movimentos terrestres resultantes de ondas elásticas. Esses instrumentos podem ser implantados em vários ambientes, incluindo a superfície da Terra, abóbadas subterrâneas rasas, poços ou locais submersos. Um sistema de instrumentação abrangente capaz de registrar sinais sísmicos é denominado sismógrafo. Redes globais de sismógrafos monitorizam continuamente os movimentos do solo, permitindo a análise e vigilância contínuas de terramotos e outros fenómenos sísmicos em todo o mundo. A localização imediata dos terremotos é crucial para a emissão de alertas de tsunami, visto que as ondas sísmicas se propagam significativamente mais rápido do que as ondas de tsunami.

Além dos eventos tectônicos, os sismógrafos também captam sinais originados de diversas fontes não sísmicas. Estes incluem explosões nucleares e químicas, ruído ambiental localizado proveniente do vento ou de atividades humanas, sinais persistentes gerados por ondas oceânicas interagindo com o fundo do mar e a costa (conhecido como microssismo global) e ocorrências criosféricas ligadas a icebergs e geleiras substanciais. Sismógrafos documentaram impactos de meteoros ocorrendo acima dos oceanos, com energias atingindo 4,2 × 10¹³ J, uma produção de energia comparável a uma explosão de dez quilotons de TNT. Além disso, estes instrumentos registaram vários acidentes industriais e actos de terrorismo, uma área especializada de investigação denominada sismologia forense. Um impulso significativo e duradouro para o estabelecimento de redes globais de monitoramento sismográfico tem sido a detecção e análise de testes de armas nucleares.

Mapeando o Interior da Terra

As ondas sísmicas, devido à sua eficiente propagação e interação com a estrutura interna da Terra, oferecem técnicas não invasivas e de alta resolução para investigar o interior do planeta. Uma descoberta inicial crucial, inicialmente proposta por Richard Dixon Oldham em 1906 e demonstrada conclusivamente por Harold Jeffreys em 1926, estabeleceu o estado líquido do núcleo externo da Terra. Dado que as ondas S não podem atravessar líquidos, a presença de um núcleo líquido cria uma "zona de sombra" no lado oposto do planeta a um terremoto, onde as ondas S diretas estão ausentes. Além disso, as ondas P exibem uma velocidade significativamente reduzida quando passam pelo núcleo externo em comparação com o manto.

Ao empregar a tomografia sísmica para processar dados de numerosos sismógrafos, os sismólogos alcançaram uma resolução de mapeamento de várias centenas de quilómetros para o manto da Terra. Esta técnica avançada facilitou a identificação de células de convecção e outras características geológicas extensas, incluindo as grandes províncias proeminentes de baixa velocidade de cisalhamento situadas perto da fronteira núcleo-manto.

Sismologia e Sociedade

Previsão de terremotos

O terremoto de L'Aquila em 5 de abril de 2009, um evento de magnitude 6,3, desencadeou uma controvérsia pública significativa em relação à previsão do terremoto quando as autoridades italianas acusaram seis sismólogos e um funcionário do governo de homicídio culposo. Um relatório publicado na *Nature* indicou que esta acusação foi amplamente percebida, tanto a nível nacional como internacionalmente, como uma acusação pela falha na previsão do terramoto, levando à condenação de organizações como a Associação Americana para o Avanço da Ciência e a União Geofísica Americana. No entanto, a publicação também observou que os residentes de L'Aquila não atribuíram a acusação a uma falha na previsão de terremotos, mas sim à alegada incapacidade dos cientistas de avaliar e comunicar os riscos de forma eficaz. A acusação afirmava especificamente que, durante uma reunião especial realizada em L'Aquila na semana anterior ao terramoto, os cientistas e as autoridades deram prioridade à garantia da população em vez da divulgação de informações suficientes sobre o risco e a preparação para o terramoto.

Os registos históricos, quando disponíveis, podem ser utilizados para estimar o momento, a localização e a magnitude dos potenciais eventos sísmicos. No entanto, vários fatores interpretativos devem ser considerados. Os epicentros, focos e magnitudes de terremotos anteriores estão sujeitos a interpretação; consequentemente, os eventos descritos como 5–6 Mw nos relatos históricos podem representar sismos maiores originados noutros locais, mas sentidos moderadamente em áreas povoadas documentadas. Além disso, a documentação histórica pode ser esparsa ou incompleta, falhando potencialmente em fornecer uma compreensão abrangente da extensão geográfica de um terremoto. Além disso, os registos históricos podem abranger apenas alguns séculos de atividade sísmica, o que constitui um período muito breve dentro de um ciclo sísmico típico.

Engenharia Sismologia

A sismologia de engenharia envolve o estudo e a aplicação prática de princípios sismológicos para objetivos de engenharia. Este campo concentra-se principalmente na avaliação do risco sísmico de um local ou região específica para informar as práticas de engenharia sísmica, servindo assim como um elo interdisciplinar entre as ciências da terra e a engenharia civil. A disciplina compreende duas componentes principais. A primeira envolve a análise da história dos terremotos, incluindo catálogos históricos e instrumentais de sismicidade, e tectônica regional para determinar potenciais terremotos, suas características e sua frequência de ocorrência. O segundo componente envolve a investigação de fortes movimentos do solo produzidos por terremotos para prever os tremores previstos de eventos futuros com atributos comparáveis. Esses fortes movimentos do solo podem ser derivados de observações de acelerômetros ou sismógrafos, ou podem ser simulados computacionalmente usando várias metodologias, que são subsequentemente frequentemente empregadas para formular equações de previsão de movimento do solo, também conhecidas como modelos de movimento do solo.

Ferramentas

A instrumentação sismológica pode gerar volumes substanciais de dados, que são processados por sistemas como:

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