P- und S-Wellen

P- und S-Wellen sind die zwei Haupttypen von seismischen Raumwellen (body waves), die das Erdinnere durchqueren. Sie sind entscheidend für unser Verständnis des Aufbaus der Erde (z.B. Nachweis des flüssigen äußeren Kerns).

1. P-Wellen (Primärwellen)

Typ: Longitudinalwellen (Druck- oder Kompressionswellen).
Teilchenbewegung: Parallel zur Ausbreitungsrichtung (wie bei einer Feder oder Schallwellen in der Luft).
Ausbreitung: Können sich durch Festkörper, Flüssigkeiten und Gase bewegen.
Geschwindigkeit ( $v_{p}$ ): $$v_p = \sqrt{\frac{K + \frac{4}{3}\mu}{\rho}}$$
(Dabei ist $K$ der Kompressionsmodul, $μ$ der Schermodul und $ρ$ die Dichte).
Charakteristik: Sie kommen als erstes am Seismometer an, da sie die höchste Geschwindigkeit besitzen.

2. S-Wellen (Sekundärwellen)

Typ: Transversalwellen (Scherwellen).
Teilchenbewegung: Senkrecht zur Ausbreitungsrichtung (wie ein schwingendes Seil).
Ausbreitung: Können sich nur durch Festkörper bewegen. In Flüssigkeiten (wie dem äußeren Erdkern) ist der Schermodul $μ = 0$ , weshalb $v_{s} = 0$ resultiert.
Geschwindigkeit ( $v_{s}$ ): $v_{s} = \sqrt{\frac{μ}{ρ}}$
Charakteristik: Sie sind langsamer als P-Wellen (ca. 60% der Geschwindigkeit von P-Wellen) und treffen als zweites ein.

3. Geochemische & Geophysikalische Bedeutung

Untersuchung des Erdkerns

S-Wellen-Schattenzone: Da S-Wellen keine Flüssigkeiten durchdringen, entstehen auf der gegenüberliegenden Seite eines Erdbebens Zonen, in denen keine S-Wellen empfangen werden. Dies beweist, dass der äußere Erdkern flüssig ist.
Refraktion: P-Wellen werden an der Kern-Mantel-Grenze (Gutenberg-Diskontinuität) stark gebrochen, was ebenfalls eine Schattenzone erzeugt.

Vp/Vs-Verhältnis

Das Verhältnis $\frac{v_{p}}{v_{s}}$ ist ein wichtiger Indikator für die Gesteinszusammensetzung und den Grad der Sättigung mit Fluiden. Für die meisten silikatischen Gesteine liegt das Verhältnis bei etwa $\sqrt{3} \approx 1.73$ .

4. Reflexion und Refraktion (Snellius-Gesetz)

Wenn seismische Wellen auf eine Grenzfläche treffen (z.B. die Moho oder die Kern-Mantel-Grenze), werden sie nach dem Snellius-Gesetz gebrochen oder reflektiert. Das Verhältnis der Geschwindigkeiten bestimmt den Winkel:

\frac{\sin (θ_{1})}{\sin (θ_{2})} = \frac{v_{1}}{v_{2}}

Reflexion: Ein Teil der Energie kehrt zur Oberfläche zurück (wichtig für die Seismik-Exploration).
Refraktion: Die Welle wird beim Eintritt in eine Schicht mit anderer Dichte/Geschwindigkeit gebeugt.
Modenkonversion: An Grenzflächen kann eine eintreffende P-Welle teilweise in eine S-Welle umgewandelt werden (und umgekehrt).

5. Die Schattenzonen (Shadow Zones)

Die Entdeckung des flüssigen äußeren Kerns basierte maßgeblich auf der Beobachtung, wo Wellen auf der Erdoberfläche nicht ankommen.

S-Wellen-Schattenzone

Bereich: Ab einem Winkel von ca. 103° vom Epizentrum.
Ursache: Da der äußere Kern flüssig ist ( $μ = 0$ ), können S-Wellen ihn nicht durchdringen. Es entsteht eine riesige "Schattenzone" auf der gegenüberliegenden Seite der Erde.

P-Wellen-Schattenzone

Bereich: Zwischen ca. 103° und 143°.
Ursache: P-Wellen dringen zwar durch den Kern, werden aber an der Kern-Mantel-Grenze aufgrund der drastisch sinkenden Geschwindigkeit (von ca. $13.7 km / s$ im Mantel auf $8 km / s$ im äußeren Kern) stark nach innen gebrochen.

6. Nomenklatur der Kernphasen

In der Geophysik werden Buchstaben verwendet, um den Weg der Welle zu beschreiben:

P: P-Welle im Mantel.
K: P-Welle im äußeren Kern (Kern).
I: P-Welle im inneren Kern.
S: S-Welle im Mantel.
J: S-Welle im inneren Kern (sehr schwer zu messen!).
c: Reflexion an der Kern-Mantel-Grenze (z.B. PcP).

Beispiel: Eine PKiKP-Welle ist eine P-Welle, die durch den Mantel und den äußeren Kern wandert, am inneren Kern reflektiert wird und denselben Weg zurück nimmt.

Zusammenfassung im Vergleich

Eigenschaft	P-Welle (Primary)	S-Welle (Secondary)
Wellentyp	Longitudinal	Transversal
Medium	Fest, Flüssig, Gasförmig	Nur Fest
Geschwindigkeit	Hoch ( $v_{p}$ )	Niedriger ( $v_{s} \approx 0.6 v_{p}$ )
Moduln	Abhängig von $K$ und $μ$	Nur abhängig von $μ$