Maanjäristyksiä ajatellessamme ensimmäinen mieleen tuleva asia on maan täriseminen. Tässä liikkeessä on kuitenkin enemmän kuin vain edestakainen tai ylös ja alas -liike. Pyörivä maanliike, maapallon pinnan kiertyminen ja kallistuminen paikallisesti, on ratkaisevassa asemassa seismisten tapahtumien ymmärtämisessä ja niihin varautumisessa.

Päivittäisiä esimerkkejä pyörimisliikkeestä

Jotta kiertoliikkeen käsite olisi helpommin ymmärrettävissä, pohditaanpa joitakin jokapäiväisiä esimerkkejä:

1. Hyrrä: Aivan kuten hidastuessaan huojuvan hyrrän pyörivä yläosa, maa voi vääntyä ja kääntyä maanjäristyksen aikana.
2. Dizzy Dance Moves: Oletko koskaan yrittänyt pyöriä ympyrää huvin vuoksi? Pyörimisestä aiheutunut huimaus on pienimuotoinen versio siitä, mitä tapahtuu maan pyörimisliikkeen aikana – ilman rakennuksen kaatamisen riskiä.

Nämä arkiset esimerkit auttavat meitä visualisoimaan, miten maa voi liikkua maanjäristyksen aikana. Tutkitaan vielä tarkemmin, mitä pyörimisliike on ja miksi se on tärkeää.

Maan liikkeen jakaminen osiin: edestakainen liike, pyörimisliike ja Maan tanssi

Pyörivä maanliike tarkoittaa maankamaran paikallista pyörimisliikettä pysty- ja vaaka-akselien ympärillä (me nörtit kutsumme niitä vääntö- ja kallistus- tai keinumisliikkeiksi!). Kuvittele seisovasi jättimäisen levysoittimen päällä, joka alkaa pyöriä. Koet pyörimisliikkeen. Samoin maanjäristyksen aikana maankamaran eri osiin voi kohdistua pyörimis- tai kiertoliikettä.

Oletetaan, että seisot avoimessa maastossa maanjäristyksen aikana. Selvitetäänpä, mitä tapahtuu allasi olevalle maalle:

• Translaatioliike:

Kuvittele, että sinua tönäistään lempeästi pohjoisesta. Tunnet siirtyväsi etelään. Tämä liike, jossa maa liikkuu edestakaisin yhteen suuntaan, on translaatioliike. Kuin sinua ravisteltaisiin hellästi suoraa viivaa pitkin. Samoin sinua voidaan tönäistä idästä, jolloin tunnet liikkuvasi länteen.

• Pyöriminen:

Oletetaan, että sinua aletaan pyörittää ympäri samanaikaisesti, kun sinua työnnetään pohjoisesta ja idästä. Et liiku enää vain etelään ja länteen, vaan pyörit myös ympäri. Tämä on pyörivä maanliike, jossa maa kiertyy ja kääntyy. Kuin olisi pyörivässä karusellissa, samalla kun tunnet paineen pohjoisesta ja idästä.

Mitä vaikuttaa tähän mennessä? Eikö tunnukin siltä, että olet huvipuistossa? Sinulla on jo pari ystävää, jotka työntävät ja pyörittävät sinua eri suuntiin. Ei siis haittaa, että saat vielä yhden ystävän lisää! Lisätäänpä siis vielä yksi ulottuvuus:

• Ylös ja alas -liike:

Kaiken edellä mainitun tapahtuessa kuvittele, että sinua nostetaan ylös ja alas. Sinua ei tönitä vain etelään, vaan myös ylös ja alas. Tämä ylös-ja-alas liike täydentää translaatioliikkeiden kolmikon lisäämällä liikeratoihin mukaan syvyyden.

Maanjäristyksen aikana maa voi siis liikkua kuudella eri tavalla samanaikaisesti: se voi liikkua edestakaisin, vasemmalle ja oikealle, sekä nousta ja laskea (ylös ja alas). Näitä kolmea liikemuotoa kutsutaan translaatioksi. Maanliikkeen kolme muuta komponenttia ovat pyörimisliikkeet kolmen kohtisuoran akselin ympäri. Nämä kuusi komponenttia yhdessä muodostavat monimutkaisen liikkeen, ja kunkin komponentin ymmärtäminen on ratkaisevan tärkeää seismisiin tapauksiin varautumisessa.

Mitä väliä?

• Seismologia

Seismologiassa kiertoliikkeen ymmärtäminen auttaa parantamaan maanjäristysmalleja. Näitä malleja käytetään ennustamaan, miten erilaiset maanliikkeet, mukaan lukien sekä translaatio- (edestakainen liike) että pyörimisliikkeet, vaikuttavat maapallon pintaan. Pyörimisliikkeen sisällyttämällä näihin malleihin täydentää tutkijoiden ymmärrystä maan tärinästä, mikä mahdollistaa paremman ennakointikyvyn ja valmistautumisen tulevien maanjäristysten varalle.

• Rakennustekniikka

Tieto pyörimisliikkeen vaikutuksesta auttaa insinöörejä, erityisesti rakennusten, siltojen ja muun infrastruktuurin suunnittelijoita, suunnittelemaan rakenteita, jotka kestävät paremmin maanjäristyksiä. Lisäksi tieto kiertovoimien vaikutuksesta auttaa arvioimaan olemassa olevien rakenteiden turvallisuutta ja vakautta (katso tämä video saadaksesi lisätietoa https://www.usgs.gov/media/videos/shaking-atwood-building-anchorage-alaska).

Pyörivän maanliikkeen mittaaminen

Pyörimisliikkeen mittaaminen on haastavaa, mutta siihen on kehitetty useita tekniikoita. Nämä tekniikat voidaan jakaa kahteen pääluokkaan: pyörimisanturit ja mittalaitejoukon rekisteröinneistä laskettava pyörimisliike.

• Pyörimisanturit

Pyörimisanturit mittaavat suoraan maan kiertymistä ja kääntymistä. Näitä ovat gyroskoopit, rengaslasergyroskoopit ja valokuitugyroskoopit, jotka havaitsevat ja mittaavat seismisiä pyörimisliikkeitä. Nämä anturit tarjoavat kriittistä tietoa, joka auttaa ymmärtämään maanpinnan monimutkaista liikettä. Ne ovat kuin seismologin versio ballerinan tasapainoaistista – paitsi paljon tarkempia ja ilman tutua!

• Mittalaitejoukon rekisteröinneistä laskettava pyörimisliike

Laitejoukon rekisteröinneistä laskettava pyörimisliikkeen arviointi edellyttää useita seismometrejä (instrumentteja, jotka mittaavat maan translaatioliikettä) pyörimisliikkeen päättelemiseksi. Sijoittamalla useita seismometrejä lähelle toisiaan tutkijat voivat analysoida maanpinnan liikkeen pyörimiskomponentit. Tätä menetelmää kutsutaan myös monipistemittaustekniikaksi.

Miten monipistemittaustekniikka toimii

Kuvittele, että asetat useita seismometrejä tietyin välimatkoin toisistaan. Jokainen seismometri tallentaa maan liikkeen tietyssä tunnetussa paikassa. Vertailemalla kunkin seismometrin tallentamien signaalien eroja tutkijat voivat päätellä, miten mittalaitteen alla oleva maa liikkuu ja pyörii. Tämä menetelmä on erittäin tehokas, koska siinä hyödynnetään olemassa olevaa tekniikkaa, joka on laajalti saatavilla.

Pyörimisliike Helsingissä

Arvioimme Helsingin yliopiston seismologian instituutissa pysty- ja vaaka-akselien pyörimisliikkeet lähes 500 seismisestä tapauksesta. Maanjäristykset aiheutuivat Espoon Otaniemen geotermiseen energiakaivoon liittyvästä stimulaatiosta. Käsittelimme dataa kuudesta pääkaupunkiseudulle asennetusta seismografiasemasta. Maanjäristysten pienestä voimakkuudesta huolimatta saimme selkeitä tietoja pyörimisliikkeestä, jotka osoittivat monipistemittaustekniikan sovellettavuuden tällaisten pienikokoisten maanjäristysten aiheuttamien pyörimisliikkeiden arvioimiseksi.

Amir Sadeghi-Bagherabadi, yliopistotutkija