Schwingungen durchlaufen unseren Planeten in Wellen, wie Akkorde, die von einer angeschlagenen Gitarre erklingen. Erdbeben, Vulkane und die Hektik der menschlichen Aktivitäten erregen einige dieser seismischen Wellen. Viele weitere werden von windgetriebenen Ozeanstürmen ausgelöst.

Wenn Stürme die Weltmeere aufgewühlt haben, interagieren die windgepeitschten Wellen an der Oberfläche in einer einzigartigen Weise, die kolbenartige Druckstöße auf dem Meeresboden erzeugt und einen Strom schwacher Beben hervorruft, die durch die Erde bis in jeden Winkel des Globus wandern.

„In diesen seismischen Umgebungsdaten ist ein Abdruck dieser drei Erdsysteme zu erkennen: die Atmosphäre, die äußeren Gesteinsschichten der Erde und der Ozean“, so die Geophysikerin Lucia Gualtieri von der Stanford University, Hauptautorin eines Artikels in den Proceedings of the National Academy of Sciences, der dazu beiträgt, ein jahrzehntealtes Rätsel über die Physik seismischer Wellen im Zusammenhang mit Meeresstürmen zu lösen.

Die als sekundäre Mikroseismik bekannten kleinen seismischen Wellen, die durch das Grollen der Ozeane ausgelöst werden, sind so allgegenwärtig und chaotisch, dass Seismologen die Daten lange Zeit beiseite gelegt haben. „Wenn man diese Wellen aufzeichnet, sieht die seismische Aufzeichnung wie zufälliges Rauschen aus, weil es so viele Quellen gibt, eine dicht neben der anderen über das ausgedehnte Gebiet eines Sturms. Sie wirken alle zur gleichen Zeit, und die daraus resultierenden Wellenfelder überlagern sich gegenseitig“, so Gualtieri. „

In den letzten 15 Jahren haben die Forscher jedoch einen Weg gefunden, aus diesen verrauschten Daten eine Bedeutung zu gewinnen. Durch die Analyse der Geschwindigkeit, mit der sich Wellenpaare von einer seismischen Station zu einer anderen bewegen, haben sie begonnen, Erkenntnisse über die Materialien zu gewinnen, durch die sie sich bewegen. „Wir verwenden seismische Wellen wie Röntgenstrahlen in der medizinischen Bildgebung, um die Erde zu scannen“, sagt Gualtieri, der Assistenzprofessor für Geophysik an der Stanford School of Earth, Energy & Environmental Sciences (Stanford Earth) ist.

Liebeswellen vom Meeresboden

Im Gegensatz zu einer einzelnen Meereswelle, die über die Oberfläche rollt und abklingt, bevor sie die Tiefsee erreicht, kann die chaotische Interaktion von Wellen, die sich während eines Sturms in entgegengesetzte Richtungen bewegen, eine auf- und abschwingende Bewegung an der Oberfläche erzeugen, die bis zur festen Erde darunter pulsiert. Die Schwingungen, die als Rayleigh-Wellen bekannt sind, breiten sich dann von diesem Impuls aus und bewegen den Boden auf und ab.

Seit Jahrzehnten kennen die Wissenschaftler die vertikale Komponente der Mikroseismik von Meeresstürmen, bei der die Rayleigh-Wellen dominieren. Aber es gibt noch eine andere Art von Schwingungen, die bei Meeresstürmen aufgezeichnet werden und die sich mit den gängigen Theorien, wie stürmische Meere Bewegungen in der festen Erde erzeugen, nicht erklären lassen. Diese Schwingungen, die nach ihrem Entdecker aus dem 20. Jahrhundert Love-Wellen genannt werden, schieben unterirdische Gesteinspartikel wie eine sich schlängelnde Schlange von einer Seite zur anderen – senkrecht zu ihrem Weg nach vorn. „Diese Wellen sollten gar nicht da sein“, sagte Gualtieri. „Wir wussten nicht, woher sie kamen.“

Wissenschaftler haben zwei plausible Erklärungen vorgelegt. Eine Idee ist, dass die vertikale Kraft, die von den kollidierenden Ozeanwellen nach unten gepumpt wird, auf einen Hang am Meeresboden trifft, sich aufspaltet und die zwei verschiedenen Arten von Oberflächenwellen bildet: Rayleigh und Love. „In diesem Fall wäre die Quelle der Love-Wellen sehr nahe an der Quelle der Rayleigh-Wellen, wenn nicht sogar am selben Ort“, so Gualtieri.

Die von Gualtieri gemeinsam mit Geowissenschaftlern der Princeton University durchgeführten Untersuchungen zeigen jedoch, dass die Hänge und Steigungen des Meeresbodens nicht steil genug sind, um die starke horizontale Kraft zu erzeugen, die für die von seismischen Aufzeichnungsgeräten erfassten Love-Wellen erforderlich ist. Ihre am 9. November veröffentlichten Ergebnisse stützen eine alternative Theorie, nach der die Love-Wellen im Erdinneren selbst entstehen. Es stellt sich heraus, dass, wenn windgepeitschte Meere den Druck auf den Meeresboden drosseln, die Patchwork-Struktur der festen Erde darunter mit einem ganz eigenen Dröhnen antwortet.

„Wir wissen, wie Erdbeben Love-Wellen erzeugen, aber wir haben nie genau herausgefunden, wie Ozeanwellen sie erzeugen“, sagte der Experte für seismisches Umgebungsrauschen Keith Koper, Professor für Geologie und Geophysik und Leiter der Seismographenstationen an der Universität von Utah, der nicht an der Studie beteiligt war. „Das ist ein wenig peinlich, denn vom Meer erzeugte Love-Wellen werden schon seit über 50 Jahren beobachtet“. Die von Gualtieri geleitete Arbeit, sagte er, „liefert schlüssige Beweise“ dafür, wie Ozeanwellen diese besondere Art von Vibrationen in der Erde erzeugen.

Simulation der Erde

Mit dem Summit-Supercomputer des Oak Ridge National Laboratory simulierten die Forscher die komplexen Wechselwirkungen, die zwischen Stürmen, Ozeanwellen und der festen Erde über dreistündige Zeiträume auftreten. Mit einer Genauigkeit von bis zu vier Sekunden umfasste jede Simulation 230 400 Druckquellen, die über den gesamten Globus verteilt waren. „Wir benutzen den Computer als Labor, um seismische Wellen von realistischen Quellen über die Ozeane der Welt ausbreiten zu lassen, basierend auf der bekannten Physik darüber, wie und wo seismische Wellen von Ozeanstürmen erzeugt werden und wie sie sich durch die Erde bewegen“, sagte Gualtieri.

Eine Version des Erdmodells stellte den Planeten als eine vereinfachte geschichtete Welt dar, in der die Eigenschaften nur mit der Tiefe variieren, wie bei einem Schichtkuchen. Das andere, realitätsnähere Modell zeigte mehr dreidimensionale Variationen im Untergrund, wie ein Schokoladenkeks. Für jede Version schalteten die Forscher die Unterwasser-Tiefendaten ein und aus, um zu testen, ob Merkmale des Meeresbodens wie Canyons, Schluchten und Berge – im Gegensatz zur tieferen Struktur – Love-Wellen erzeugen können.

Die Ergebnisse zeigen, dass Love-Wellen in der schichtkuchenartigen, eindimensionalen Erde schlecht erzeugt werden. In einem dreidimensionalen Modell jedoch, das etwa 30 Minuten und einen grollenden Ozean voraussetzt, entstehen Love-Wellen unterhalb des Meeresbodens. Wenn Rayleigh-Wellen und andere seismische Wellen, die von Ozeanstürmen erzeugt werden, auf ihrer seitlichen Reise durch die Erde auf heißere oder kühlere Zonen und unterschiedliche Materialien treffen, wird ihre Energie laut der Studie gestreut und neu fokussiert. Dabei wandelt sich ein Teil des Wellenfelds in Love-Wellen um. „Wenn man diese Druckquellen von interferierenden Ozeanwellen anlegt und wartet, gibt die Erde das gesamte Wellenfeld ab“, so Gualtieri. „Es ist die Erde selbst, die die Love-Wellen erzeugt.“

Gemäß Gualtieri könnte ein besseres Verständnis darüber, wie diese Schwingungen entstehen und sich durch die Erde ausbreiten, dazu beitragen, Wissenslücken nicht nur über das Innere unseres Planeten, sondern auch über sein sich veränderndes Klima zu schließen. Analoge seismische Aufzeichnungen stammen aus der Zeit vor der Satellitenära, und hochwertige digitale Daten werden seit mehreren Jahrzehnten aufgezeichnet.

„Diese Datenbank enthält Informationen über Umweltprozesse, und sie ist praktisch ungenutzt“, sagte sie.