Tiedeviikko-special: Japanin maanjäristys

Jätä kommentti

Parin viikon ajan uutiset ovat täyttyneet Japanin maanjäristyksestä ja siitä seuranneesta tsunamista sekä Fukushiman ydinvoimalaonnettomuudesta. Itsekin keskityin lukemaan näitä uutisia ja niihin liittyviä blogikirjoituksia, joten normaalit tiedeuutiset jäivät vähemmälle huomiolle. Niinpä tämänkertaisessa tiedeviikossa ajattelin kirjoittaa hieman Japanin maanjäristyksestä ja siitä seuranneista ilmiöistä pohjautuen artikkeleihin Mountain Beltway, Georneys, Space.com, Highly Allochthonous ja Structuralgeology.org blogeista. Myös wikipediassa kerrotaan tiivistetysti hyvin Sendain/Tohokun maanjäristyksestä (suomeksi, englanniksi).

Miksi Japanissa on ylipäätään maanjäristyksiä?

Koska ainakin minulla maantiedon oppitunneista on vuosia aikaa, on hyvä aloittaa perusteista ja kerrata miksi Japanissa esiintyy maanjäristyksiä. Vaikka Sendain maanjäristys olikin suurin Japanissa koskaan mitattu maanjäristys (9.0 magnitudia), kuuluu Japani alueeseen, jossa suuria ja pieniä maanjäristyksiä voidaan odottaa esiintyvän tiheästi. Alla olevissa kuvissa näkyy Japanissa mitatut maanjäristykset (magnitudi ja sijainti): vasemmalla yli 7 magnitudin maanjäristykset vuodesta 1900 lähtien ja oikealla kaikki maanjäristykset viimeisen 20 vuoden ajalta. Sendain maanjäristys on merkitty oranssilla tähdellä.

Credit: USGS

Japanin saaret ovat osa tuliperäistä saarijonoa, joka on muodostunut Tyynenmeren, Euraasian ja Filippiinien mannerlaattojen subduktiovyöhykkeen päälle. Subduktiovyöhykkeessä siis yksi mannerlaatta tunkeutuu toisen mannerlaatan alle. Japanin tapauksessa Tyynenmeren mannerlaatta tunkeutuu sekä Euraasian että Filippiinien mannerlaatan alle ao. kuvan mukaisesti luoden seismologisesti erittäin epävakaat olosuhteet.

Missä tahansa mannerlaattojen liittymäkohdassa esiintyy maanjäristyksiä, mutta subduktiovyöhykkeessä ne voivat tapahtua myös syvällä Maan vaipassa. Vaikka mannerlaatat liikkuvat tasaisesti ja pehmeästi ilman suuria nopeuden vaihteluita, syntyy kahden laatan välille kitkaa mannerlaattojen liittymäkohdissa. Tämä johtaa siihen, että tasainen voima joka työntää laattoja toisiaan vasten muuttuu nykiväksi. Ensin laatat tarraavat toisiinsa kiinni eivätkä liiku toistensa suhteen. Tasainen voima, joka painaa mannerlaattoja toisiinsa lisää koko ajan kuitenkin jännitettä laattojen välille. Jossain vaiheessa jännite kasvaa tarpeeksi suureksi ylittäen mannerlaattojen välisen kitkan ja purkautuu aiheuttaen äkkinäisen liikkeen, jossa mannerlaatat liikkuvat toistensa suhteen. Jännitteen purkautuminen vapauttaa energiaa, joka liikkuu Maan sisässä seismisinä aaltoina, jotka me tunnemme maanjäristyksinä. Mitä äkkinäisempi ja pidempi liike laattojen välillä tapahtuu sitä voimakkaampi maanjäristys on. Alla video maanjäristyskoneesta, joka demonstroi kuinka tasainen voima ja kitka kahden kappaleen välillä synnyttää nykivää liikettä.

Viime vuosina on vaikuttanut siltä, että maanjäristyksiä on tapahtunut useammin kuin aikaisemmin, mutta pitääkö se paikkansa? Ei. Kuten ao. statistiikasta huomaa, yli 7 magnitudin maanjäristysten määrä on pysynyt tasaisena 30 vuoden ajan. Alle 7 magnitudin maanjäristysten määrä näyttäisi olevan kasvussa, mutta se johtuu todennäköisesti siitä, että maanjäristyksiä rekisteröiviä mittausasemia on perustettu koko ajan enemmän alueille, joissa niitä ei ole aikaisemmin ollut. Kuvaajista näkyy myös, että lähivuosina maanjäristykset ovat osuneet asutetuille alueille, mikä on lisännyt huomattavasti maanjäristyksissä menehtyneiden ihmisten määrää sekä vastaavasti uutisointia ympäri maailmaa.

Credit: USGS

Kuinka maanjäristys siirsi Japania?

Maanjäristyksen seurauksena GPS-asemien mittaustulokset näyttävät asemien siirtyneen Honsun itäosissa maksimissaan 4.4 metriä itään päin ja vajonneen 75 senttimetriä alaspäin. Ao. animaatio näyttää Japanin GPS-asemaverkoston liikkeen Sendain maanjäristyksen ja jälkijäristyksien aikana. Animaatiossa näkyy sekä itärannikon siirtyminen että seismisten aaltojen kulkeminen Japanin läpi (huomaa vektorien skaalaus).

Mutta miksi maanjäristys siirsi maata alaspäin Honsun itärannikolla? Kun subduktiovyöhykkeellä mannerlaatat lukittautuvat toisiinsa, yläpuolella oleva laatta muodostaa liitoskohdan ylle kohouman jännityksen lisääntyessä mannerlaattojen välillä (kts. kuva alla). Maanpinta kohoaa siihen asti, kunnes jännitys purkautuu laattojen välillä maanjäristyksenä ja kohouma vajoaa. Sopiva analogia voisi olla kahden maton työntäminen vastakkain, jolloin toisen maton reuna pullistuu ja muodostaa rypyn mattoon. Kun mattojen välinen kitka ei pysty enää vastustamaan työntövoimaa, maton reuna liukuu toisen maton päälle suoristaen rypyn.

Credit: Hyndman, Scientific American

Kuinka maanjäristys lyhensi päivän pituutta?

Tuoreimpien analyysien mukaan Sendain maanjäristys lyhensi Maan päivän pituutta 1.8 mikrosekuntia (mikrosekunti on siis miljoonasosa sekuntia, joten suurista muutoksista ei todellakaan ole kyse), tosin jälkijäristykset voivat muuttaa vielä tätä arviota. Subduktiovyöhykkeiden maanjäristyksissä päivän pituus lyhenee aina, koska massaa siirtyy lähemmäs Maan keskustaa ja pyörimismäärän säilymisen mukaan kappaleen kulmanopeus suurenee mitä lähempänä se on pyörimisakseliaan. Samaan tapaan taitoluistelijan kulmanopeus kasvaa piruetissa, kun kädet vedetään lähelle vartaloa. Maanjäristys siirsi myös Maan massa-akselia noin 17 senttimetriä. Maan massa-akseli on siis akseli, jonka ympärille Maan massa jakautuu tasaisesti ja se eroaa hieman Maan pyörimisakselista. Maan pyörimisakseli pysyy kuitenkin muuttumattomana ja siihen pystyvät vaikuttamaan vain ulkoiset voimat, kuten Auringon, Kuun tai planeettojen painovoima. Epätasaisuudet Maan massan jakaumassa aiheuttavat Maan vaappumisen pyörimisakselin ympäri. Vaappuminen muuttuu aina massajakauman järjestäytyessä uudelleen vaikuttaen Maan pyörimisnopeuteen. Samankaltaista vaappumista tapahtuu esimerkiksi pesukoneen pyöriessä täydellä lastilla, tässä tapauksessa pesukoneen rummun pyörimisakselin vastatessa Maapallon pyörimisakselia. Pyykit eivät kuitenkaan ole ihan tasaisesti jakautuneena rummun reunoille, jolloin rumpu alkaa vaappua hieman pyörimisakselin ympäri. Vaappuminen voimistuu mitä epätasaisemmin pyykit ovat rummun reunoilla, esimerkiksi suuren pyyhkeen sijaitessa vain yhdellä laidalla, ja vastaavasti vaimenee mitä tasaisemmin pyykit ovat rummussa. Maanjäristykset eivät kuitenkaan ole suurin vaikuttaja Maan massan jakautumisessa, vaan ilmakehän kausittaisten suihkuvirtausten liike muuttaa Maan massajakaumaa huomattavasti enemmän aiheuttaen millisekunnin (1000 mikrosekuntia) vaihtelun Maan pyörimisnopeuteen vuosittain.

Tsunami

Maanjäristykset itsessään aiheuttavat harvoin kuolonuhreja, mutta maanjäristyksestä aiheutuvat seuraukset voivat olla huomattavasti vakavempia, kuten massiivinen hyökyaalto Sendain tapauksessa. Sendain 9.0 magnitudin maanjäristys aiheutti merenpohjaan äkillisen pullistuman, joka liikutti vesimassaa ylöspäin ja siirsi energiaa mereen. Kun vesimassa painovoiman ansiosta putosi takaisin alas, lähetti se useampia hyökyaaltoja joka suuntaan pitkin Tyyntä valtamerta, samaan tapaan kuin veteen heitetty kivi aiheuttaa usemman aallon, jotka loittonevat kohdasta johon kivi upposi. Alla olevat animaatiot näyttävät kuinka aallot etenivät Japanin itärannikolla (ylempi) ja koko Tyynellä valtamerellä (alempi). Hyökyaaltojen nopeus oli noin 400 km/h ja merellä niiden korkeus oli suhteellisen pieni, noin metrin luokkaa. Kun hyökyaalto lähestyy rannikkoa allon etureuna hidastuu ensin, jolloin takana tuleva aalto saavuttaa sen, mikä johtaa aallon korkeuden kasvuun. Maksimissaan aallon korkeus oli Japanin rannikolla 10 metriä ja toisaalta myös Tyynen Valtameren toisella puolella Chilessä mitattiin parin metrin kokoisia aaltoja. Ao. animaatiosta näkyy, että tsunami saavutti Sendain, joka sijaitsee ison lahden alueella, paljon myöhemmin (noin tunti maanjäristyksen jälkeen) kuin sitä pohjoisempana olevat kylät (noin 20 minuuttia maanjäristyksen jälkeen). Riippumatta varoitusajasta tsunami ylitti voimakkuudellaan kaiken sen mitä Japani on aiemmin kokenut mittaushistoriansa aikana, mm. erään ydinvoimalan turvajärjestelyt.

Credit: Tohoku-oki Event Supersite

Jälkijäristyksiä

Sendain 9.0 magnitudin maanjäristys ei suinkaan ollut ainoa maanjäristys alueella, vaan sitä seurasi suuri määrä jälkijäristyksiä. Näistä vajaa parikymmentä on ollut yli 6.3 magnitudin luokkaa tai voimakkaampia, joka oli esimerkiksi Christchurchin maanjäristyksen voimakkuus Uudessa-Seelannissa noin kuukausi sitten.

---