F r o m the S o m i g l i a n a waves to the e v a n e s c e n t waves P . C A L O I ( * ) R e c e i v e d on M a y 1 0 t h , 1972 SUMMARY. — T h e R a y l e i g h e q u a t i o n h a s r e a l c o e f f i c i e n t s ; t h e r e f o r e , a l s o t h e c a s e of c o m p l e x c o n j u g a t e d r o o t s m a y b e e x p l a i n e d p h y s i c a l l y . T h e A u t h o r p r o v e s t h a t t h e S o m i g l i a n a w a v e s m a y b e f o r m e d f o r P o i s s o n r a t i o v a l u e s u n t i l 0 . 3 0 5 4 3 ; f o r g r a d u a l l y less r i g i d m e d i a , t h e y a r e m i s s i n g a l t o g e t h e r a n d d e g e n e r a t e i n t o e v a n e s c e n t w a v e s . RIASSUNTO. — A c a u s a d e l l ' o m o g e n e i t à d e l l e e q u a z i o n i d e l m o t o e d e s s e n d o l ' e q u a z i o n e d i R a y l e i g h a c o e f f i c i e n t i r e a l i , a n c h e il c a s o d e l l e r a d i c i c o m p l e s s e c o n i u g a t e p u ò e s s e r e fisicamente i n t e r p r e t a t o . V i e n e p r o v a t o c h e le o n d e d i S o m i g l i a n a p o s s o n o i n s o r g e r e p e r v a l o r i d e l r a p p o r t o d i P o i s s o n fino a 0 . 3 0 5 4 3 ; m e n t r e n e l c a m p o di v a r i a b i l i t à 0 . 3 0 5 4 3 < a < 0.5, c i o è i n m e z z i s e m p r e p i ù i n c o m p r e s s i b i l i , le o n d e d i S o m i g l i a n a ( p o s s i b i l i solo p e r i n c i d e n z a t r a s v e r s a l e ) d e g e n e r a n o i n o n d e e v a n e s c e n t i . 1. I n s o m e p r e v i o u s n o t e s 3' 4) I h a v e d e a l t w i t h t h e p h y s i c a l i n t e r p r e t a t i o n of t h e r o o t s of t h e R a y l e i g l i e q u a t i o n w h i c h a r e a b o v e t h e u n i t , f o r t h e v a l u e s of t h e a coefficient of P o i s s o n t o w h i c h cor- r e s p o n d t h r e e r e a l r o o t s f o r t h e R a y l e i g h e q u a t i o n . A n d I h a v e p r o v e d t h a t t h o s e r o o t s h a v e a n e x a c t p h y s i c a l m e a n i n g : t h e y p e r m i t t h e t h e o r e t i c a l i n t e r p r e t a t i o n of sizable g r o u p s of seismic oscillations w h i c h I n a m e d w a v e s of S o m i g l i a n a . I f o u n d t h e n t h e l i m i t s w i t h i n w h i c h t h e S o m i g l i a n a w a v e s o r i g i n a t e , w i t h i n t h e r e a l r o o t s a b o v e t h e u n i t , a n d I e m p h a s i z e d h o w i n t e r e s t i n g i t w a s t o i n c l u d e t h e s t u d y of such w a v e s i n t o t h e r e s e a r c h of s t r a t i f i c a t i o n s b u i l d i n g u p t h e E a r t h ' s c r u s t . (*) I s t i t u t o N a z i o n a l e di G e o f i s i c a . R o m a . H o w e v e r , as w a s a l r e a d y n o t e d b y S o m i g l i a n a i n t h i s t h i r d con- t r i b u t i o n t o t h e p r o p a g a t i o n of seismic w a v e s (6), d u e t o t h e h o m o - g e n e i t y of e q u a t i o n s of m o t i o n a n d t o t h e f a c t t h a t t h e E a y l e i g h e q u a - t i o n h a s r e a l coefficients, also t h e case of c o m p l e x , c o n j u g a t e d r o o t s m a y b e e x p l a i n e d p h y s i c a l l y w i t h t h e s e p a r a t i o n of t h e r e a l f r o m t h e i m a g i n a r y p a r t of r o o t s . T h i s is w h a t I a m u n d e r t a k i n g as follows. 2. F i r s t of all, l e t u s t r y t o f i n d a n a l y t i c a l l y t h e v a l u e of a sepa- r a t i n g t h e r e a l field f r o m t h e c o m p l e x field f o r r o o t s a b o v e t h e u n i t . This v a l u e h a s a l r e a d y b e e n o b t a i n e d e m p i r i c a l l y in t h e p r e v i o u s n o t e (4). As is k n o w n , t h e E a y l e i g h e q u a t i o n is e x p r e s s e d in i t s m o s t k n o w n f o r m w i t h t h e u s u a l m e a n i n g of s y m b o l s (J): f r o m w h i c h , a f t e r h a v i n g m a d e f1) v32 = x follows Vi2 i — 2 a R e m e m b e r i n g t h a t — = , we p u t * 2 ( 1 — a) 1 1 — — - 1 6 - ~~ 2 (1 — a) ' w h e n c e [1] b e c o m e s X3 — 8 Z2 + 8 ( ! + 2 e) 1 — 1 6 6 = 0 • [2] L e t us see h o w t h e r o o t s of t h i s e q u a t i o n v a r y w h e n a v a r i e s b e t w e e n 0 a n d , t h a t is f o r N o w we f r e e [2] f r o m t h e second d e g r e e t e r m i n y. T o t h i s e n d we p u t F R O M T H E S O M I G L I AN A W A V E S TO T I I E E V A N E S C E N T W A V E S 4 7 3 E q u a t i o n [2] c h a n g e s t h e n i n t o 8 _ c 16 ( 28 \ ¿ 3 + y (6 e - 5 ) 6 + — ( 5 e — - y ) = 0 . W e m a k e 8 „ 16 / , 28 \ y ( b e - 5 ) = p , t h u s o b t a i n i n g d3 + p d + q = 0. If p a n d q a r e real, we k n o w f r o m t h e m a t h e m a t i c a l a n a l y s i s t h a t t h e c o n d i t i o n f o r t h e t h r e e r o o t s of [3] t o b e r e a l is e x p r e s s e d i n t h e r e l a t i o n q- p3 - - + J — < 0 . 4 27 C o n s i d e r i n g t h e v a l u e s of p a n d q, we h a v e in o u r case (45 E — 28)2 + (12 B — 1 0 ) 3 j . F o r t h e r o o t s t o b e real, we m u s t h a v e , = 1 1 4 27 3 6 A(e) = (45 E — 28)2 + (12 £ — 10)3 < 0 . [3] I t is easily f o u n d t h a t t h e v a l u e of e which a n n u l l s zl(£) is £ = 0,6785. A n d since 1 1 a = 1 o £ i t follows a = 0,26308, w h i c h p r a c t i c a l l y coincides w i t h t h e v a l u e p r e v i o u s l y o b t a i n e d ( ° X2 + 68;° X ~ 40>° = °> f o r a = 0,305 3,564 x 3 — 28,512 X 2 + 69,536 x — 41,024 = 0, f o r a = 0,35 4,333 x3 ~ 34,66 x2 + 8 8 > ° X ~~ 33>33 = °> f o r or = 0,4 3 X3 ~ 2 4 Z2 + 64 x — 40 = 0, f o r a = 0,5 Z3 — 8 X2 + 24 X ~ 1 6 = T h e c o r r e s p o n d i n g r o o t s a r e : T A B L E 1 a X I 0 , 2 6 5 0 , 8 4 9 8 3 , 5 7 5 2 ± i 0 , 1 6 2 2 1 0 , 2 7 0 , 8 5 1 2 5 3 , 5 7 4 3 ± i 0 , 3 1 2 0 0 , 3 0 , 8 6 0 0 9 3 , 5 7 1 4 ± i 0 , 7 2 8 4 0 , 3 0 5 0 , 8 6 1 5 4 3 , 5 6 9 0 ± i 0 , 7 8 9 6 0 , 3 5 0 , 8 7 4 0 3 , 5 6 2 5 ± i 1 , 1 7 9 1 0 , 4 0 , 8 8 7 7 3 , 5 5 6 2 ± i 1 , 5 4 0 6 0 , 5 0 , 9 1 2 8 3 , 5 4 3 6 ± i 2 , 2 3 0 2 4. I a s k e d myself w h e t h e r all a v a l u e s i n t h e i n t e r v a l 0,26305 0,5, w e r e l e a d i n g t o r o o t s t o w h i c h c o r r e s p o n d S o m i g l i a n a w a v e s . T h o s e r o o t s a r e c o m p l e x a n d c o n j u g a t e d a n d s o m e of t h e i r v a l u e s h a v e b e e n g i v e n u n d e r 3. T h e y a r e c o m p l e x , h e n c e also t h e v a l u e s of (i. 2), / — Vr- v3 = V2 V X , t a n g 2 ei = — X — 1 , t a n g 2 e2 = X — 1 . [4] Vi~ L e t u s i n d i c a t e a g e n e r a l c o m p l e x r o o t as follows 7.2.3 = r + ic . F R O M T H E S O M I G L I AN A W A V E S TO T I I E E V A N E S C E N T W A V E S 4 7 5 T h e f o r m u l a s [10J will t h e n b e w r i t t e n V22 . V22 . 1 — t a n g 2 ei = r —- — 1 -(-1 c — , t a n g - e2 = r — 1 + i c, v3 = V2 v r + i c . Vi' Vi~ T h e r e l a t i o n R + iC=\Jr-\-ic, allows t o o b t a i n R = u j j * + c2 + r y / g c = | V r2 + c2 — r W , A f t e r t h e v a l u e of a, i n c l u d e d in t h e a b o v e i n t e r v a l , h a s b e e n a s s i g n e d , t h e R a y l e i g h e q u a t i o n f u r n i s h e s t h e c o r r e s p o n d i n g c o u p l e of c o m p l e x , c o n j u g a t e d r o o t s . T h u s r a n d c a r e o b t a i n e d a n d t h e n c e t a n g ci, t a n g e2 a n d va p e r t a i n i n g t o t h e c h o s e n a v a l u e . A f t e r s e p a r a t i n g t h e r e a l p a r t f r o m t h e i m a g i n a r y one, we can t h u s a r r i v e a t t h e real v a l u e s of ei (if e x i s t i n g ) , of e2 a n d of v3. L e t u s i n d i c a t e t h e l a t t e r Va = Vi R while p u t t i n g V3 = t'2 C , w h e r e t h e n e g a t i v e v a l u e f o r C is b e i n g t a k e n . O n t h e b a s i s of t h e r a n d c v a l u e s t a k e n f r o m t h e p r e v i o u s t a b l e 1 we o b t a i n b y v a r y i n g a as follows: T A B L E 2 a V^/Vj* t a n g 2 e1 ei t a n g 2 e2 «2 R 0 , 2 6 5 0 , 3 1 9 7 3 0 , 1 4 3 1 0 2 0 ° 4 5 ' , 2 5 2 , 5 7 5 2 5 8 ° 0 4 ' , 2 5 1 , 8 9 1 3 0,27 0 , 3 1 5 0 7 0 , 1 2 6 1 5 19°33' 2 . 5 7 4 3 5 8 ° 0 4 ' 1,8924 0 , 3 0,2857 0 , 0 2 0 3 5 8 ° 0 7 ' 2 , 5 7 1 4 5 8 ° 0 3 ' 1,8995 0 , 3 0 5 0 , 2 8 0 5 0 , 0 0 1 1 0 4 5 1°51' 2 , 5 6 9 0 5 8 ° 0 2 ' 1,9006 0 , 3 5 0 . 2 3 0 7 7 — 0 , 1 7 7 9 — 2 , 5 6 2 5 5 8 ° 0 0 ' 1,9125 0,4 0 , 1 6 6 6 7 — 0 , 4 0 7 3 — 2,5562 5 7 ° 5 8 ' , 5 1,9277 0,5 0 — 1 — 2 , 5 4 3 6 5 7 ° 5 5 ' 1,99605 I t follows f r o m t h e a n a l y s i s of t h e t a b l e 2 t h a t t h e S o m i g l i a n a w a v e s m a y v a r y f o r a v a l u e s u n t i l 0,31; f o r g r a d u a l l y less rigid m e d i u m P . C A L O I t h e y a r e m i s s i n g a l t o g e t h e r a n d d e g e n e r a t e i n t o o r d i n a r y t r a n s v e r s a l w a v e s . T h e v a l u e s of efficient angles, f o r l o n g i t u d i n a l i n c i d e n c e , p r e - s u p p o s e i n c i d e n c e s n e a r i n g r a p i d l y t h e r i g h t a n g l e . So f a r as t r a n s - v e r s a l i n c i d e n c e is c o n c e r n e d , t h e efficient angles i n c r e a s e s l i g h t l y as t h e r i g i d i t y of t h e m e d i u m d e c r e a s e s a n d r e a c h a l i m i t a n g l e of i n c i d e n c e of a b o u t 32° t o w h i c h c o r r e s p o n d s t h e t o t a l r e f l e c t i o n . C o n s i d e r i n g as well t h e c o m p l e x c o n j u g a t e d r o o t s of t h e R a y l e i g h e q u a t i o n , t h e efficient angles b r i n g i n g a b o u t S o m i g l i a n a w a v e s a r e t h e ones c o r r e s p o n d i n g t o t h e r o o t s f o r t h e f o l l o w i n g field of v a r i a b i l i t y of a : 0 < a < 0,31 , a l t h o u g h , p r a c t i c a l l y (4), t h i s is r e d u c i n g t o 0,25 < a < 0,31 . A n y h o w , t h e use of c o m p l e x c o n j u g a t e d r o o t s i n d i c a t e s a n en- l a r g e m e n t a n d t h e l i m i t of t h e field of v a r i a b i l i t y of t h e P o i s s o n coef- ficient. C o n c e r n i n g t h e p r o p a g a t i o n v e l o c i t y of t h e S o m i g l i a n a w a v e s (if e x i s t i n g ) , it is n o t e d t h a t i t increases as a i n c r e a s e s ( t h a t is as r i g i d i t y decreases) a n d r e a c h e s t h e m a x i m u m v a l u e v'3 = 1,9006 -v2 f o r t h e l i m i t v a l u e of a = 0,305. If in t h e e x p r e s s i o n s of Mi, u2, wi, w2 (4) we p u t @ (x — v31) u n d e r p o w e r f o r m (p (e—v31) = fl[x — {v3 + iv„) t] = e = ekz sin (cot — ax) we will h a v e Dm 7)w ... u = — = — a e cos(co t — a x) : w = = A- e sin(a>i — a x) , ' 1 t>z " w h e r e u a n d w a r e t h e h o r i z o n t a l a n d v e r t i c a l m o t i o n c o m p o n e n t s . T h e r e s u l t a n t of t h e s e m o v e m e n t s , h o w e v e r , is t h e socalled eva- nescent wave w h i c h — as t h e R a y l e i g h w a v e s — forces t h e r e a c h e d p a r t i c l e t o d e s c r i b e a n elliptical m o t i o n [(5) p a g e s 300-304], I n t h e v a r i a b i l i t y field ,-i 0,30543 < a < 0,5 , w h i c h m e a n s t h a t in a l w a y s m o r e i n c o m p r e s s i b l e m e d i a t h e Somi- gliana waves (possible o n l y b y t r a n s v e r s a l incidence) degenerate into evanescent waves. I n c o n f o r m i t y t o w h a t h a p p e n s i n t h e p r o p a g a t i o n of t h e l i g h t , t h e v e l o c i t y of e v a n e s c e n t w a v e s i n t h e s e c o n d m e d i u m is t>2/sin¿2, w h e r e ¿2 is t h e a n g l e of i n c i d e n c e . P r a c t i c a l l y i t coincides, t h e r e f o r e , w i t h Bv2 w h e r e R is t o b e t a k e n f r o m t h e t a b l e 2. I n case of t h e l i m i t a n g l e of i n c i d e n c e (¿2 = 31°58'), is i n f a c t VífsinU = 1,8894 vo, e q u a l — a t l o w e r t h a n 1/1000 — t o t h e v a l u e of v'3. I F i g . 1 - E x a m p l e s of C 0 ,i (T = 6 8 s a b . ) , C i , 2 (T = 3 4 s a b . ) a n d C2,3 (71 = 23 s a b . ) w a v e s - b y t h e a u t h o r g e n e r i c a l l y i n d i c a t e a s Somigliana waves — r e c o r d a t S o m p l a g o (011 t h e C a v a z z o L a k e ) b y a s e i s m o g r a p h , w i t h f r e e p e r i o d of a b o u t 120s a n d o p t i c a l m a g n i f i c a t i o n , in o c c a s i o n of A l a s k a e a r t h q u a k e of J u l y 30, 1972 ( 5 7 ° , O N - 135",9\V: H = 2 1 . 4 5 . 1 1 , 1 G M T : li = 10 k m : M = 7,8) a t a n e p i c e n t r a l d i s t a n c e of a b o u t 8 3 5 0 k i n s . F o r l a r g e e a r t h q u a k e ( a s t h i s A l a s k a e a r t h q u a k e ) C 0 .i w a v e s c a n a f f e c t t h e o u t e r l a y e r of m a n t l e , f r o m t h e t o p of t h e a s t e n o s p h e r e ( l o w - v e l o c i t y c h a n n e l ) t o t h e E a r t h ' s s u r f a c e ( t h i c k n e s s of a b o u t 70 k m s ) . 4 8 ( 1 R E F E R E N C E S (') CALCI P . , 1966. - L'equazione di Rayleigh e le onde di Somigliana. I : La teoria delle onde di Rayleigh. " A t t i Aoc. N a z . d e i L i n c e i " , Classe S c i e n z e fis., m a t . e n a t . , X L I , s e r . V I I I , 1-2 F e r i e . (2) CALOI P . , 1966. - L'equazione di Rayleigh e le onde di Somigliana. I I : La teoria di Somigliana: rettifiche, conseguenze. " A t t i A c c . N a z . d e i Lin- c e i " , Classe S c i e n z e fis., m a t . e n a t . , X L I , s e r . V i l i , 5. (3) CALOI P . , 1967. - 1/equazione di Rayleigh e le onde di Somigliana. I l i : Le Ci,j sono onde di Somigliana. Loro importanza per lo studio della crosta terrestre. " A t t i A c c . N a z . d e i L i n c e i " , Classe S c i e n z e fis., m a t . e n a t . , X L I I I , s e r . V i l i , 6 . (*) CALOI P . , 1969. - L'equazione di Rayleigh e le onde di Somigliana. I V : Li- miti d'insorgenza delle onde di Somigliana: loro esclusiva formazione nel piano principale. " A t t i A c c . N a z . dei L i n c e i " , Classe S c i e n z e fis., m a t . e n a t . , X L V I , s e r . V I I I , 1. (5) CALOI P . , 1955. - Ci,j. " A n n a l i d i G e o f i s i c a " , V I I I , 3, p p . 2 9 3 - 3 1 3 . (6) SOMIGLIANA C., 1918. - Sulla propagazione delle onde sismiche. Nota I I I . " A t t i A c c . N a z . dei L i n c e i " , Classe S c i e n z e fis., m a t . e n a t . , X X V I I , s e r . V, 1.