מה גורם לרעידות אדמה? מדוע אי אפשר לחזות אותן? איך נערכים בכל זאת, וגם – מה אפשר ללמוד מהן?

רעידות אדמה הן ללא ספק אחד מאסונות הטבע המתסכלים ביותר. עוד משחר הימים, תושבים היו עומלים מאות שנים לבנות ערים משגשגות, רק כדי לראות אותן מתמוטטות תוך שניות אחדות בעקבות רעד חזק שבקע לפתע מתוך האדמה, ללא כל התרעה מוקדמת, ושב אל מצולותיה כאילו לא הופיע מעולם.

האסונות שתועדו לאורך ההיסטוריה, ושמתרחשים אחת לכמה שנים גם בימינו, הם מקרי הקצה הנדירים של תופעה נפוצה הרבה יותר. מדי שנה נמדדות ברחבי העולם כחצי מיליון רעידות אדמה בעוצמות שונות. רובן חלשות מכדי שנרגיש בהן ואפשר להבחין בהן רק באמצעות מכשירי מדידה רגישים. הרעידות שאנו מרגישים הן ביטוי לתנועות איטיות ונרחבות הרבה יותר המתרחשות על פני כדור הארץ, שמדי פעם מזכיר לנו שהוא לא רק גוש סלע דומם.

ההתקדמות במדע שנרשמה במאה השנים האחרונות עדיין אינה מאפשרת לנו לחזות רעידות אדמה, אך היא מאפשרת לנו להבין אותן ואת התהליכים הטבעיים שעומדים בבסיסן, ובמקרים מסוימים אף לנצל אותן ככלי לחקר סודותיו העמוקים של עולמנו.

תחריט עץ משנת 1550 המתעד רעידת אדמה חזקה באיסטנבול, טורקיה, ב-1509 | מקור: CCI ARCHIVES / SCIENCE PHOTO LIBRARY
הרס עצום תוך שניות אחדות. תחריט עץ משנת 1550 המתעד רעידת אדמה חזקה באיסטנבול, טורקיה, ב-1509 | מקור: CCI ARCHIVES / SCIENCE PHOTO LIBRARY

מה גורם לרעידות אדמה?

המקור לרעידות האדמה, ולאנרגיה ההרסנית המשתחררת במהלכן, הוא בהפרש הטמפרטורות השורר בין גרעין כדור הארץ הלוהט, שהטמפרטורה בו מגיעה על פי ההערכות ליותר מ-5000 מעלות צלזיוס, לבין קרום כדור הארץ הגובל בחלל הקר.

החום הרב הנפלט ממרכז כדור הארץ מחמם את חלקה התחתון של המעטפת, שהיא השכבה העבה בין הגרעין לבין הקרום החיצוני. המעטפת עשויה אמנם סלע מוצק, אך לאורך זמן, הפרש הטמפרטורות הקיצוני בין חלקה התחתון לזה העליון יוצר בה דפוס תנועה מחזורי, שבו חלקה התחתון מטפס למעלה, מתקרר ונדחף בחזרה אל המעמקים על ידי מעטפת חמה חדשה שתופסת את מקומו, בדיוק כמו בסיר מים רותחים.

במהלך הטיפוס של המעטפת החמה כלפי מעלה, הלחץ המופעל עליה פוחת בהדרגה, עד שבסמוך לפני השטח הוא נהיה כה חלש, שחלק ממנה ניתך למגמה שפורצת מבעד לקרום מתוך בקעים מוארכים הנפערים בקרקעית האוקיינוסים. לאחר שנפלטה מתוך המעטפת, המגמה מתקררת במהירות לסלע בזלת הנותר על פני השטח, וממשיך להידחף הצידה שוב ושוב על ידי מגמה צעירה יותר שנפלטת מתוך הבקע.

המגמה שפורצת ממעטפת כדור הארץ יוצרת את הלוחות הטקטוניים, ותנודותיהם גורמות לרעידות אדמה | איור: CHRISTOPH BURGSTEDT / SCIENCE PHOTO LIBRARY
המגמה שפורצת ממעטפת כדור הארץ יוצרת את הלוחות הטקטוניים, ותנודותיהם גורמות לרעידות אדמה | איור: CHRISTOPH BURGSTEDT / SCIENCE PHOTO LIBRARY

מישורי הבזלת הנרחבים המתפתחים משני עברי הבקע הם לוחות טקטוניים אוקייניים, והדחיפה שהם חווים בעקבות ההתכה הקבועה של המעטפת היא הכוח המניע את תנועת הלוחות הטקטוניים על גבי הקרום. דחיפה זו היא גם מקור האנרגיה לרוב רעידות האדמה, שמתחוללות בעקבות החיכוך של הלוחות הטקטוניים זה בזה.

לוחות טקטוניים אינם עשויים מקשה אחת אחידה, אלא מרושתים במערכות של שברים וסדקים הנקראים העתקים. שמם נובע מכך שלאורכם מתרחשת העתקה – תנועה – של פיסת לוח אחת ביחס לאחרת. לרוב, קו המגע בין הלוחות אינו חלק, וההעתקה המתרחשת לאורכו עלולה להיתקל בהתנגדות, הגורמת להצטברות של מתח אלסטי בין הלוחות התפוסים זה בזה. אם ההתנגדות משתחררת בפתאומיות, כפי שקורה במקרים רבים, יכול המתח הרב שנצבר בין הלוחות להשתחרר גם הוא בין רגע, ולהרעיד את הלוחות הטקטוניים סביבו בגלי אנרגיה עוצמתיים. הנקודה שממנה משתחררים גלי האנרגיה מכונה מוקד הרעידה.

תנודות של שתי פיסות של לוח טקטוני זו ביחס לזו גורמות לרעידת אדמה | איור: VectorMine, Shutterstock
זה שעולה וזה שיורד. תנודות של שתי פיסות של לוח טקטוני זו ביחס לזו גורמות לרעידת אדמה | איור: VectorMine, Shutterstock

הרעש בא בגלים

גלי האנרגיה המשתחררים במהלך רעידות אדמה נקראים גלים סייסמיים, על שם המילה היוונית העתיקה לתופעת הטבע, והם נחלקים לשלושה סוגים עיקריים: גלים ראשוניים, הנקראים גם גלי P; גלים שניוניים או גלי S; וגלי שטח. הגלים הראשוניים והשניוניים נעים דרך כל כדור הארץ, בעוד שגלי השטח, כפי שמסגיר שמם, נעים רק על פניו, ואינם חודרים לתוכו.

גלים ראשוניים הם גלי לחץ, הנעים בצורה אורכית על ידי דחיפה של חלקיקים קדימה. חלקיקים אלה דוחפים בתורם את החלקיקים הנמצאים לפניהם ואז שבים ונעים אחורה אל מיקומם המקורי, במנגנון הזהה לתנועת גלי קול דרך האוויר. גלים ראשוניים נעים במהירות של כ-24,000 קילומטר בשעה, בערך פי 1.7 מהר יותר מהגלים השניוניים, והם הראשונים להיקלט בתחנות מדידה סייסמיות.

גלים שניוניים, הבאים בתור להיקלט בתחנות המדידה, הם גלי גזירה, המניעים את החלקיקים מעלה ומטה ומצד לצד במהלך התקדמותם. גלי שטח מגיעים לאחר הגלים השניוניים, והם גורמים לתנועות מכניות שונות, חלקן תנועות גזירה, היכולות להגיע לאורך של כמה סנטימטרים. סוג אחד שלהם, גלי לאב (Love), גורמים לפני השטח לנוע מצד לצד בצורת זיגזג. סוג נוסף, גלי ריילי (Rayleigh) גורמים לחלקיקים בפני השטח להשלים תנועה מעגלית לפני שיחזרו למקומם, באותו האופן שבו גלי מים נעים על פני האוקיינוס. גלים שניוניים וגלי שטח גורמים לנזק הרב ביותר במהלך רעידות אדמה, מאחר שהם מטלטלים סלעים ומבנים מצד לצד.

סוגי הגלים והתווך שהם עוברים דרכו | איור: VectorMine, Shutterstock
המאפיינים של הגלים השונים מאפשרים לחקור רעידות אדמה, וגם את מבנה כדור הארץ. סוגי הגלים והתווך שהם עוברים דרכו | איור: VectorMine, Shutterstock

זיהוי רעידות אדמה

השיטה העיקרית למעקב, תיעוד וחקר של רעידות אדמה הוא על ידי מדידה של הגלים הסיסמיים השונים באמצעות מכשיר הנקרא סייסמומטר (או סייסמוגרף). הסייסמומטר מגיב לתזוזת הקרקע תחתיו ורושם את האורך והתדירות של תנועתה. הוא אף מאפשר להבדיל בין סוגי הגלים השונים. הסייסמומטרים הראשונים התבססו על כלי כתיבה מחובר למשקולת שנתלה מעל פיסת נייר. עקרון הפעולה של המכשירים המודרניים אינו שונה בהרבה, אולם הוא מתבסס על רכיבים אלקטרוניים.

הנתונים המתקבלים מסייסמומטר יחיד מאפשרים לחשב את עוצמת הרעידה ואת המרחק מהמוקד שלה, אך הם אינם מספיקים כדי לאתר את הכיוון שממנו הגיעה. גילוי מרחק הרעידה מהמכשיר מתבסס על הפרש המהירויות הידוע בין הגלים הראשוניים, שנקלטים ראשונים במכשיר, לגלים השניוניים שנקלטים לאחר הפרש זמן מסוים. משך הזמן בין קליטת שני סוגי הגלים, עם מהירותו של כל אחד מהם, מאפשר לחשב לאחור את המרחק.

כדי לגלות את מיקומו של מוקד הרעידה יש צורך בשלושה סייסמומטרים לפחות, במקומות מרוחקים זה מזה. לאחר חישוב המרחק של הרעידה מכל אחד מהמכשירים, אפשר לבצע שילוש (טריאנגולציה) בין שלושת המרחקים למציאת הנקודה המדויקת במרחב סביבם.

סייסמומטר נייד מוקדם, המוצג במוזיאון וזוב באיטליה | צילום: MAURO FERMARIELLO / SCIENCE PHOTO LIBRARY
הטכנולוגיה השתנתה, העקרונות נותרו זהים. סייסמומטר נייד מוקדם, המוצג במוזיאון וזוב באיטליה | צילום: MAURO FERMARIELLO / SCIENCE PHOTO LIBRARY

בעבר היה מקובל לתאר את עוצמת הרעידה באמצעות סולם ריכטר, שהתבסס על המשרעת (אמפליטודה) של הגלים הסייסמיים כפי שנמדדו בסייסמומטר. סולם זה פותח במקור למעקב אחר רעידות אדמה במערב ארצות הברית בעזרת מכשירי מדידה מסוג מסוים, ולא היה מיטבי לתיאור רעידות אדמה באזורים אחרים בעולם. כיום נהוג לציין את עוצמת הרעידה באמצעות "סולם מגניטודה לפי מומנט", הפועל באופן זהה בכל נקודה בעולם. סולם זה מתבסס על קשיחות הקרקע וממדי התנועה עצמה שהתרחשה לאורך ההעתק, ביניהם אורכה של התנועה וגודלו של השטח בקו המגע בין שני צידי ההעתק שחווה את התזוזה.

בדומה לסולם ריכטר, גם סולם מגניטודה לפי מומנט מבטא את עוצמת הרעידה כערך שבין 1 ל-10. כל עלייה של יחידה בסולם פירושה עלייה של פי 31.6 באנרגיה שהשתחררה ברעידה. עלייה של שתי יחידות פירושה גידול פי 1,000 בשחרור האנרגיה. רעידות אדמה עלולות לגרום לנזקים למבנים כבר בעוצמה 4, והן נעשות מסוכנות במיוחד מעוצמה 6.

רמת הנזק לפי סולם ריכטר | איור: Tartila, Shutterstock
רעידות בדרגה 6 ומעלה עלולות להיות מסוכנות. רמת הנזק לפי סולם ריכטר | איור: Tartila, Shutterstock

חיזוי רעידות אדמה 

לצערנו, עד כה לא נמצאה דרך יעילה לחזות מראש רעידות אדמה, אך במספר מדינות נפרסו מערכות המסוגלות לזהות את רגע תחילתה של רעידה, וכך לספק לתושבי האזור התרעה של כמה עשרות שניות לפני פגיעתם בפועל של גלי האנרגיה ההרסניים. מערכות אלה מורכבות ממאות חיישנים סייסמיים הפזורים על פני השטח, ופעילותן מתבססת על העובדה שגלי האנרגיה הראשוניים, שאינם מסוכנים, נעים מהר יותר מהגלים השניוניים ובכך למעשה מבשרים על הסכנה המתקרבת. ככל שאדם נמצא רחוק יותר ממוקד הרעש, הוא יזכה לזמן התרעה ארוך יותר.

מדובר בזמן התרעה קצר, לרוב כמה שניות, אך הוא עשוי לאפשר לאנשים לתפוס מחסה בטוח יותר בתוך מבנים, לעצור מערכות תחבורת המונים, לכבות ציוד כבד ולהשהות הליכים רפואיים. מעריכים שמתוך אלפי הפצועים ברעידת האדמה הקשה לוֹמָה פְּרִייֶטָה, שפקדה את מרכז קליפורניה בשנת 1989, כמחציתם נפגעו מנפילה של חפצים כבדים. מטרתן של מערכות ההתרעה הוא לצמצם את היקף הפציעות האלה. מערכת כזו הפועלת ביפן רשמה הצלחה בעת רעידת האדמה הקשה שפגעה במדינה בשנת 2011, שגרמה בין השאר לצונמי ולכשל בתחנת הכוח הגרעינית פוקושימה. הזיהוי המוקדם תרם לכך שאף רכבת לא סטתה מהפסים, דבר שהיה עלול להוביל לנפגעים נוספים רבים.

מערכות ההתרעה מפני רעידות אדמה קשות לפיתוח ודורשות תשתית מורכבת. הקמתה של מערכת ShakeAlert לדוגמה, שהופעלה בשנת 2019 לאורך החוף המערבי של ארצות הברית, נמשכה 15 שנה ועלתה כ-60 מיליון דולר. את ההתרעות הנשלחות ממערכת זו אפשר לקבל ישירות לטלפון הנייד באמצעות אפליקציית MyShake הייעודית.

חברת גוגל לקחה את הרעיון של שימוש בטלפונים ניידים כמערכות התרעה מפני רעידות צעד אחד קדימה, והתקינה במערכת ההפעלה של כל מכשירי אנדרואיד תוכנה המסוגלת לזהות רעידות אדמה באמצעות המכשיר עצמו, ללא צורך בחיישנים קרקעיים. התוכנה עושה שימוש במד התאוצה המותקן כמעט בכל טלפון חכם, והופכת את מכשיר הטלפון לחיישן סייסמי. כאשר מעל מאה מכשירים באזור מסוים מזהים בו-זמנית תזוזה המתאימה לרעידת אדמה, המערכת תשלח התרעה לכל המכשירים האנדרואיד בסביבה. המערכת עדיין נמצאת בשלבי ניסוי, והיא פעילה כיום רק ביוון ובניו זילנד.

אמנם אי אפשר לחזות מראש רעידות אדמה, אך אפשר להיערך אליהן מבעוד מועד באמצעות בנייה בשיטות המעלות את עמידות המבנים לתזוזות חזקות. אחת השיטות הנפוצות היא על ידי בידוד של בסיס המבנה מהקרקע שמתחתיו באמצעות שילוב של רכיבי גומי או קפיצים גדולים, שימנעו את מעבר האנרגיה האלסטית מן הקרקע אל המבנה. לרוב, התקינה המנחה לבנייה עמידה לרעידות אינה שואפת להימנע לגמרי מנזק, אלא לצמצם אותו כמה שניתן כדי להימנע מפגיעות בנפש. גם בישראל נקבע תקן לבנייה עמידה לרעידות אדמה, שנכנס לתוקפו בשנת 1980.

זמני האזהרה לפי המרחק ממוקד הרעש (מסומן ב-+) ברעידת האדמה שהייתה בנפאל ב-2015 | איור: Blue8111, Wikipedia

התרעה קצרה. זמני האזהרה לפי המרחק ממוקד הרעש (מסומן ב-+) ברעידת האדמה שהייתה בנפאל ב-2015 | איור: Blue8111, Wikipedia

רעידות אדמה ככלי מחקר 

רעידות אדמה מעלות אצל רובנו מחשבות על סכנה, אך מלבד תכונותיהן ההרסניות הן גם מסוגלת ללמד אותנו רבות על מבנה הפנימי של כדור הארץ, הודות לגלי האנרגיה הייחודיים שמשתחררים במהלכן. סייסמולוגיה, תחום חקר רעידות האדמה, היא אחד מתחומי המדע המרכזיים לצורך חקר המבנה הפנימי של כדור הארץ, כוכבי לכת נוספים ושל גופים אחרים, כמו הירח או מאדים.

כיוון ההתקדמות של גלי אנרגיה, וכן עוצמתם, משתנים בהתאם לצפיפות ולאלסטיות של החומר שדרכו הם עוברים, בדומה לשבירה של גלי אור כאשר הם עוברים מהאוויר אל תוך מים. פנים כדור הארץ מורכב משכבות שונות, הנבדלות זו מזו בצפיפותן ובמצב הצבירה שלהן.

כאשר הגלים הסייסמיים עוברים משכבה לשכבה בתוך כדור הארץ, הם משנים את כיוונם ומהירותם, וממשיכים לנוע עד שהם פוגשים שוב בקרום כדור הארץ, שם הם נקלטים בתחנות המדידה. הצלבה בין המיקום והזמן שבהם נקלטו הגלים בנקודות שונות על פני השטח לבין מיקומו של מוקד רעידת האדמה, מאפשרת לחשב את המסלול שעברו הגלים דרך כדור הארץ ולקבל מידע על השכבות המרכיבות אותו.

מעקב אחר הגלים שנוצרים ברעידת אדמה מאפשר למפות אזורים בפנים כדור הארץ, כמו הכתמים מתחת לקרום בצד ימין של התמונה | איור: CLAUS LUNAU / SCIENCE PHOTO LIBRARY
טומוגרפיה סייסמית. מעקב אחר הגלים שנוצרים ברעידת אדמה מאפשר למפות אזורים בפנים כדור הארץ, כמו הכתמים מתחת לקרום בצד ימין של התמונה | איור: CLAUS LUNAU / SCIENCE PHOTO LIBRARY

כך למשל גילו חוקרים בשנת 1926 שגרעין כדור הארץ הוא נוזלי. ההבנה הזו התגבשה על ידי הסיסמולוגים הבריטיים ריצ'ארד דיקסון אולדהם (Oldham) והארולד ג'פריס (Jeffreys), לאחר שהבחינו כי סביב הנקודה הנגדית למוקד הרעידה, בצידו השני של כדור הארץ, מתקבל 'צל' של גלים שניוניים, כלומר אזור שבו נקלטו רק הגלים הראשוניים שהשתחררו מהרעידה. זאת בניגוד לכל נקודה אחרת על פני כוכב הלכת, שבהן נקלטו שני סוגי הגלים. מאחר שגלי גזירה, כמו הגלים השניוניים, אינם עוברים דרך נוזל, אך גלי לחץ כן, הסיקו החוקרים שקיים תווך נוזלי במרכזו של כדור הארץ.

עשר שנים מאוחר יותר, בשנת 1936, גילתה הסייסמולוגית הדנית אינגה להמן ( Lehmann) כי במרכז הגרעין הנוזלי קיים תווך מוצק, אשר מוגדר כיום כשכבת הגרעין הפנימית.

כיום, פני כדור הארץ מכוסים בעשרות אלפי חיישנים סייסמיים ממגוון סוגים, המייצרים גליונות אינסופיים של נתונים. עושר המידע המתקבל בעקבות רעידות האדמה שפוקדות את פני השטח ללא הרף, מאפשר לחקור את פנים כדור הארץ ברמת דיוק שלא הייתה אפשרית קודם לכן.

שימוש בשיטות מתחום הטומוגרפיה הסייסמית, מאפשר לגיאולוגים למפות את עומק כדור הארץ ולייצר מודלים תלת-ממדיים של גופים ומבנים מקומיים בתוך המעטפת והגרעין, כמו נקודות חמות (Hotspot) ולוחות טקטוניים שקועים, ובכך להרחיב את ההבנה שלנו על תהליכים בהיסטוריה של כדור הארץ.