Vibrationer bevæger sig gennem vores planet i bølger, som akkorder der runger fra en guitar, der bliver klikket. Jordskælv, vulkaner og den travle menneskelige aktivitet ophidser nogle af disse seismiske bølger. Mange andre giver genlyd fra vinddrevne havstorme.

Når stormene rusker i verdenshavene, interagerer de vindpiskede bølger ved overfladen på en unik måde, der skaber stempelagtige trykstød på havbunden og genererer en strøm af svage rystelser, der bølger gennem Jorden til alle hjørner af kloden.

“Der er et aftryk af disse tre jordsystemer i disse omgivende seismiske data: atmosfæren, Jordens ydre klippelag og havet”, siger geofysiker Lucia Gualtieri fra Stanford University, hovedforfatter til en artikel i Proceedings of the National Academy of Sciences, som er med til at løse en årtier gammel gåde om fysikken i forbindelse med seismiske bølger, der er relateret til havstorme.

De små seismiske bølger, der er kendt som sekundære mikroseismer, og som er exciteret af rungende oceaner, er så allestedsnærværende og kaotiske, at seismologer længe har lagt dataene til side. “Når man registrerer disse bølger, ligner den seismiske optegnelse tilfældig støj, fordi der er så mange kilder, den ene tæt på den anden i hele stormens udstrakte område. De virker alle sammen på samme tid, og de resulterende bølgefelter interfererer med hinanden,” siger Gualtieri. “Man har lyst til bare at kassere det.”

Men i løbet af de sidste 15 år har forskerne fundet en måde at uddrage mening af disse støjende data på. Ved at analysere, hvor hurtigt parvis af bølger bevæger sig fra en seismisk station til en anden, er de begyndt at få indsigt i de materialer, de bevæger sig igennem. “Vi bruger seismiske bølger som røntgenstråler i medicinsk billeddannelse til at scanne Jorden”, siger Gualtieri, som er assisterende professor i geofysik på Stanford School of Earth, Energy & Environmental Sciences (Stanford Earth).

Kærlighedsbølger fra havbunden

I modsætning til en enkelt havbølge, der ruller hen over overfladen, og som dør ud, inden den når dybhavet, kan det kaotiske samspil mellem bølger, der bevæger sig i modsatte retninger under en storm, skabe en op-og-ned-boblende bevægelse ved overfladen, der pulserer hele vejen til den faste jord under overfladen. Vibrationer, der er kendt som Rayleigh-bølger, bevæger sig derefter udad fra pulsen og flytter jorden op og ned undervejs.

I årtier har forskerne forstået den vertikale komponent i mikroseismiske havstorme, hvor Rayleigh-bølgerne dominerer. Men der er et andet sæt af vibrationer, der registreres under havstorme, som er uforklarlige i de accepterede teorier om, hvordan stormfulde have skaber bevægelser i den faste jord. Disse vibrationer, der er opkaldt Love-bølger efter deres opdager fra det 20. århundrede, skubber underjordiske stenpartikler fra side til side – vinkelret på deres vej fremad – som en snigende slange. “Disse bølger burde slet ikke være der”, sagde Gualtieri. “Vi vidste ikke, hvor de kom fra.”

Forskere har fremlagt to plausible forklaringer. Den ene idé er, at når den vertikale kraft, der pumpes ned fra kolliderende havbølger, støder på en skråning på havbunden, deler den sig og danner de to forskellige overfladebølgetyper: Rayleigh og Love. “I så fald ville kilden til Love-bølger være meget tæt på kilden til Rayleigh-bølger, hvis ikke samme sted,” sagde Gualtieri.

Men Gualtieris forskning, som han har skrevet sammen med geovidenskabsfolk fra Princeton University, viser, at havbundens skråninger og hældninger ikke er stejle nok til at generere den stærke horisontale kraft, der er nødvendig for at producere Love-bølger, som opfanges af seismiske optagere. Deres resultater, der blev offentliggjort den 9. november, støtter en alternativ teori, ifølge hvilken Love-bølgerne opstår i selve jorden. Det viser sig, at når vindblæste have smækker trykket ned til havbunden, svarer den faste jords patchwork-struktur nedenunder med sin helt egen rysten.

“Vi forstår, hvordan jordskælv skaber Love-bølger, men vi har aldrig helt regnet ud, hvordan havbølger skaber dem,” siger Keith Koper, ekspert i seismisk støj i omgivelserne, professor i geologi og geofysik og leder af seismografstationer ved University of Utah, som ikke var involveret i undersøgelsen. “Det er lidt pinligt, fordi havgenererede Love-bølger er blevet observeret i over 50 år.” Den af Gualtieri ledede artikel, sagde han, “giver afgørende beviser” for, hvordan havbølger genererer denne særlige form for vibrationer i Jorden.

Simulering af Jorden

Med Summit-supercomputeren på Oak Ridge National Laboratory simulerede forskerne de komplekse interaktioner, der opstår mellem storme, havbølger og den faste Jord over tre timers perioder. Hver simulering var nøjagtig ned til fire sekunder og omfattede 230.400 trykkilder spredt over hele kloden. “Vi bruger computeren som et laboratorium til at lade seismiske bølger forplante sig fra realistiske kilder over hele verdenshavene baseret på kendt fysik om, hvordan og hvor seismiske bølger genereres af havstorme, samt hvordan de bevæger sig gennem Jorden,” sagde Gualtieri.

En version af modellen Jorden repræsenterede planeten som en forsimplet stratificeret verden, hvor egenskaberne kun varierer med dybden, som en lagkage. Den anden, mere virkelighedstro model fangede mere af den tredimensionelle variation i dens underjordiske terræn, som en chokoladekage. For hver version skiftede forskerne data om undervandsdybde til og fra for at teste, om træk ved havbunden som canyoner, kløfter og bjerge – i modsætning til den dybere struktur – kunne producere Love bølger.

Resultaterne viser, at Love bølger kun i ringe grad genereres i den lagkageagtige, endimensionelle jord. Med ca. 30 minutter og et rumlende hav udgik Love-bølgerne imidlertid fra under havbunden i den tredimensionelle model. Når Rayleigh-bølger og andre seismiske bølger, der genereres af havstorme, møder varmere eller koldere zoner og forskellige materialer på deres rejse gennem Jorden, tyder undersøgelsen på, at deres energi spredes og refokuseres. I denne proces bliver en del af bølgefeltet omdannet til Love-bølger. “Hvis du anvender disse trykkilder fra interfererende havbølger og venter, vil Jorden give dig hele bølgefeltet”, sagde Gualtieri. “Det er Jorden selv, der vil generere kærlighedsbølgerne.”

Ifølge Gualtieri kan en bedre forståelse af, hvordan disse vibrationer opstår og forplanter sig gennem Jorden, være med til at udfylde huller i viden om ikke blot vores planets indre, men også om dens skiftende klima. Analoge seismiske optagelser går tilbage til før satelliternes tid, og der er blevet registreret digitale data af høj kvalitet i flere årtier.

“Denne database indeholder oplysninger om miljøprocesser, og den er stort set uudnyttet,” sagde hun.