مقایسه مقیاس‌های ریشتر، بزرگی گشتاور و مرکالی: هر کدام چه چیزی را اندازه‌گیری می‌کنند و چرا مقیاس بزرگی گشتاور استاندارد است

در ۲۲ مه ۱۹۶۰، صفحه نازکا به شدت زیر صفحه آمریکای جنوبی لغزید و یک خط گسل را در مسافتی نزدیک به ۱۰۰۰ کیلومتر گسیخت. زلزله والدیویا که در پی آن رخ داد، انرژی لرزه‌ای معادل ده‌ها هزار سلاح هسته‌ای آزاد کرد. با این حال، اگر این رویداد فاجعه‌بار صرفاً با مقیاس اصلی ریشتر اندازه‌گیری می‌شد، بزرگی آن به سختی کمی بالاتر از ۸٫۰ ثبت می‌شد، که از نظر ریاضی با زلزله‌هایی که کسری از آن انرژی را آزاد می‌کنند، قابل تمایز نبود.[1]

این اختلاف، نشان‌دهنده یک تغییر اساسی در نحوه کمی‌سازی رویدادهای لرزه‌ای توسط شبکه‌های نظارتی جهانی است. برای دهه‌ها، مردم و سیاست‌گذاران برای درک شدت زلزله به یک معیار واحد تکیه می‌کردند. امروزه، زیرساخت‌های واکنش به بلایا بر یک سیستم دوگانه استوار است: یک مقیاس برای اندازه‌گیری انرژی فیزیکی مطلق آزاد شده در اعماق زمین، و دیگری برای اندازه‌گیری لرزش موضعی تجربه شده در سطح.[2]

مقیاس ریشتر، که به طور رسمی به عنوان مقیاس بزرگی محلی (ML) شناخته می‌شود، در سال ۱۹۳۵ توسط چارلز ریشتر و بنو گوتنبرگ توسعه یافت. این مقیاس برای یک هدف بسیار خاص طراحی شده بود: اندازه‌گیری زلزله‌ها در جنوب کالیفرنیا با استفاده از ابزار خاصی به نام لرزه‌نگار پیچشی وود-اندرسون. این مقیاس راهی استاندارد برای مقایسه اندازه‌های نسبی لرزش‌های محلی فراهم کرد.[1]

سیستم ریشتر لگاریتمی بود، به این معنی که هر افزایش یک واحد کامل، نشان‌دهنده افزایش ده برابری در دامنه موج اندازه‌گیری شده بود. با این حال، ذاتاً توسط فناوری زمان خود محدود شده بود. این مقیاس حداکثر دامنه امواج لرزه‌ای با فرکانس بالا را اندازه‌گیری می‌کند، که امواجی هستند که به راحتی توسط لرزه‌نگارهای آنالوگ اولیه ثبت می‌شدند.[3]

نقص حیاتی در مقیاس ریشتر پدیده‌ای است که به عنوان «اشباع» شناخته می‌شود. با بزرگتر شدن زلزله‌ها، گسیختگی فیزیکی گسل طولانی‌تر می‌شود و وقوع رویداد زمان بیشتری می‌برد. با این حال، امواج با فرکانس بالا که توسط مقیاس ریشتر اندازه‌گیری می‌شوند، متناسب با اندازه گسیختگی رشد نمی‌کنند.[1]

هنگامی که بزرگی یک زلزله تقریباً به ۷٫۰ می‌رسد، مقیاس ریشتر عملاً به حداکثر خود می‌رسد. گسلی که برای ۵۰ کیلومتر می‌لغزد و گسلی که برای ۵۰۰ کیلومتر می‌لغزد، ممکن است دامنه‌های موج با فرکانس بالا مشابهی تولید کنند، که باعث می‌شود مقیاس ریشتر بزرگی تقریباً یکسانی به آن‌ها اختصاص دهد، علی‌رغم تفاوت عظیم در کل انرژی آزاد شده.[4]

برای حل این نقص سیستماتیک در اندازه‌گیری، لرزه‌شناسان توماس هنکس و هیرو کاناموری در سال ۱۹۷۹ مقیاس بزرگی گشتاور (Mw) را معرفی کردند. برخلاف ریشتر که خط موج‌دار روی لرزه‌نگار را اندازه‌گیری می‌کرد، بزرگی گشتاور خواص فیزیکی بنیادی خود زلزله را محاسبه می‌کند.

مقیاس بزرگی گشتاور از «گشتاور لرزه‌ای» مشتق شده است، یک کمیت ریاضی که سه متغیر را در هم ضرب می‌کند: سختی سنگ، مساحت کل گسلی که لغزیده است، و مسافتی که گسل جابجا شده است. این امر یک اندازه‌گیری مستقیم و بدون اشباع از کل انرژی مکانیکی آزاد شده توسط تغییر تکتونیکی فراهم می‌کند.[4]

از آنجایی که این مقیاس به انرژی فیزیکی گره خورده است و نه دامنه موج، مقیاس بزرگی گشتاور از نظر نیروی مخرب به صورت نمایی افزایش می‌یابد. افزایش ۱٫۰ واحدی در Mw تقریباً معادل ۳۲ برابر انرژی آزاد شده بیشتر است. افزایش ۲٫۰ واحدی نشان‌دهنده ۱۰۰۰ برابر انرژی بیشتر است. یک زلزله با بزرگی ۸٫۰ فقط کمی قوی‌تر از ۷٫۰ احساس نمی‌شود؛ بلکه ۳۲ برابر انرژی بیشتری را در پوسته اطراف آزاد می‌کند.[3]

امروزه، هنگامی که سازمان زمین‌شناسی ایالات متحده (USGS) یا سایر نهادهای بین‌المللی یک زلزله بزرگ را گزارش می‌دهند، تقریباً به طور انحصاری بزرگی گشتاور را گزارش می‌کنند، حتی اگر رسانه‌ها به طور عامیانه آن را مقیاس ریشتر بنامند. مقیاس Mw پایه استاندارد و سازگار جهانی را فراهم می‌کند که برای سیستم‌های هشدار سونامی بین‌المللی و استقرار سریع منابع ضروری است.[1][6]

با این حال، دانستن انرژی مطلق یک زلزله به مدیران بحران نمی‌گوید که در سطح زمین چه اتفاقی می‌افتد. یک زلزله با بزرگی ۷٫۰ در عمق ۳۰۰ کیلومتری اقیانوس، پیامدهای بسیار متفاوتی نسبت به یک زلزله ۷٫۰ دقیقاً زیر یک شهر پرجمعیت که بر روی رسوبات نرم بنا شده است، خواهد داشت.[2]

اینجاست که مقیاس شدت مرکالی اصلاح‌شده (MMI) به معیار عملیاتی حیاتی تبدیل می‌شود. در حالی که بزرگی گشتاور زلزله را در منبع آن اندازه‌گیری می‌کند، مقیاس مرکالی اثرات موضعی لرزش را در مکان‌های سطحی خاص اندازه‌گیری می‌کند.[5]

مقیاس MMI از اعداد رومی از I (احساس نشده) تا XII (تخریب کامل) استفاده می‌کند. این یک مقیاس مشاهده‌ای است که از لحاظ تاریخی بر اساس خسارات سازه‌ای و درک انسانی بنا شده است. امروزه، این مقیاس به شدت توسط داده‌های ابزاری شتاب زمین و سیستم‌های گزارش‌دهی جمع‌سپاری شده مانند برنامه «آیا آن را احساس کردید؟» سازمان USGS تقویت می‌شود.[2]

برای مهندسان عمران و برنامه‌ریزان شهری، مقیاس مرکالی احتمالاً معیار مهم‌تری است. آیین‌نامه‌های ساختمانی برای مقاومت در برابر یک بزرگی گشتاور خاص طراحی نشده‌اند؛ بلکه برای تحمل حداکثر شتاب‌های زمینی خاصی مهندسی شده‌اند که با سطوح شدت مرکالی همبستگی دارند.[5][6]

رابطه بین بزرگی گشتاور و شدت مرکالی بسیار متغیر است. ترکیب خاک نقش بسیار زیادی در این واگرایی ایفا می‌کند. خاک‌های نرم و اشباع از آب می‌توانند امواج لرزه‌ای را تقویت کنند و یک رویداد Mw متوسط را به یک رویداد MMI شدید تبدیل کنند، پدیده‌ای که به عنوان روانگرایی شناخته می‌شود.[2]

زیرساخت‌های نظارت لرزه‌ای مدرن بر ادغام هر دو مقیاس متکی است. در عرض چند دقیقه پس از گسیختگی، سیستم‌های خودکار بزرگی گشتاور را برای تعیین سطح تهدید کلی محاسبه می‌کنند. اندکی پس از آن، نقشه‌های لرزش (ShakeMaps) تولید می‌شوند که شدت‌های مرکالی تخمینی را در سراسر منطقه آسیب‌دیده ترسیم می‌کنند تا تیم‌های جستجو و نجات را به مناطقی با بالاترین احتمال خسارت هدایت کنند.[3][6]

این رویکرد دو مقیاسی نشان‌دهنده بلوغ علم ژئوفیزیک است. با تفکیک انرژی مطلق رویداد تکتونیکی از آسیب‌پذیری موضعی زیرساخت‌های انسانی، سیاست‌گذاران می‌توانند ریسک را با دقت بیشتری ارزیابی کنند، استانداردهای ساختمانی مناسب را الزامی سازند و کمک‌های هدفمند برای بلایا را مستقر کنند.[6]