Vibrações viajam pelo nosso planeta em ondas, como acordes soando de um violão de cordas. Terremotos, vulcões e a agitação da actividade humana excitam algumas destas ondas sísmicas. Muitas mais reverberam das tempestades oceânicas impulsionadas pelo vento.

Quando as tempestades agitam os mares do mundo, as ondas dos navios de vento na superfície interagem de uma forma única que produz golpes de pressão semelhantes a pistões no fundo do mar, gerando um fluxo de tremores ténues que se ondulam através da Terra para cada canto do globo.

“Há uma impressão desses três sistemas terrestres nesses dados sísmicos ambientais: atmosfera, camadas externas rochosas da Terra e oceano”, disse a geofísica da Universidade de Stanford Lucia Gualtieri, principal autora de um artigo em Proceedings of the National Academy of Sciences que ajuda a resolver um enigma de décadas sobre a física das ondas sísmicas relacionadas às tempestades oceânicas.

Conhecidas como microseismos secundários, as pequenas ondas sísmicas excitadas pelos oceanos que roncam são tão onipresentes e caóticas que os sismólogos há muito que puseram de lado os dados. “Quando você registra essas ondas, o registro sísmico parece ruído aleatório porque há tantas fontes, uma perto da outra em toda a área estendida de uma tempestade. Todos agem ao mesmo tempo, e os campos de ondas resultantes interferem uns com os outros”, disse Gualtieri. “Você quer simplesmente descartar isso.”

Já nos últimos 15 anos, os pesquisadores encontraram uma maneira de extrair significado desses dados barulhentos. Analisando a rapidez com que os pares de ondas viajam de uma estação sísmica para outra, eles começaram a colher insights sobre os materiais pelos quais estão passando. “Usamos ondas sísmicas como raios X em imagens médicas para escanear a Terra”, disse Gualtieri, que é professor assistente de geofísica na Escola da Terra de Stanford, Energia & Ciências Ambientais (Stanford Earth).

Ondas amorosas do fundo do oceano

Não sendo como uma única onda oceânica rolando através da superfície, que morre antes de alcançar o mar profundo, as interações caóticas das ondas viajando em direções opostas durante uma tempestade podem criar um movimento de subida e descida na superfície que pulsa até a Terra sólida abaixo. Vibrações conhecidas como ondas Rayleigh então viajam para fora do pulso, movendo o solo para cima e para baixo conforme vão.

Durante décadas, os cientistas entenderam a componente vertical dos microseismos das tempestades oceânicas, onde as ondas Rayleigh dominam. Mas há outro conjunto de vibrações registradas durante as tempestades oceânicas que são inexplicáveis nas teorias aceitas para como os mares tempestuosos geram movimentos na Terra sólida. Estas vibrações, denominadas Ondas de Amor depois do seu descobridor do século XX, empurram partículas de rochas subterrâneas lado a lado – perpendicularmente ao seu caminho para a frente – como uma cobra deslizante. “Estas ondas não deveriam estar lá de todo”, disse Gualtieri. “Não sabíamos de onde vinham.”

Os cientistas apresentaram duas explicações plausíveis. Uma idéia é que quando a força vertical bombeando para baixo de ondas oceânicas colidindo encontra um declive no fundo do mar, ela se divide e forma os dois tipos diferentes de ondas superficiais: Rayleigh e Love. “Nesse caso, a fonte das ondas de Amor estaria muito próxima da fonte das ondas de Rayleigh, se não no mesmo local”, disse Gualtieri.

Mas a pesquisa de Gualtieri, co-autoria com geocientistas da Universidade de Princeton, encontra que as encostas e inclinações do fundo do mar não são suficientemente íngremes para gerar a forte força horizontal necessária para produzir as ondas de Amor captadas pelos gravadores sísmicos. Os seus resultados, publicados no dia 9 de Novembro, apoiam uma teoria alternativa, na qual as ondas de Amor têm origem na própria Terra. Acontece que, quando os ventos fortes dos mares aceleram a pressão até o fundo do mar, a estrutura de retalhos da sólida Terra por baixo responde com um trio todo próprio.

“Entendemos como os terremotos criam ondas de Amor, mas nunca descobrimos exatamente como as ondas oceânicas as criam”, disse o especialista em ruído sísmico ambiente Keith Koper, professor de geologia e geofísica e diretor de estações sismográficas da Universidade de Utah, que não estava envolvido no estudo. “Isto é um pouco embaraçoso porque as ondas de amor geradas pelo oceano têm sido observadas há mais de 50 anos”. O trabalho conduzido por Gualtieri, ele disse, “fornece provas conclusivas” de como as ondas oceânicas geram este tipo particular de vibração na Terra.

Simulando a Terra

Utilizando o supercomputador Summit no Laboratório Nacional de Oak Ridge, os pesquisadores simularam as complexas interações que ocorrem entre tempestades, ondas oceânicas e a Terra sólida durante períodos de três horas. Com precisão de até quatro segundos, cada simulação incluiu 230.400 fontes de pressão espalhadas por todo o globo. “Estamos usando o computador como um laboratório, para permitir que ondas sísmicas se propaguem a partir de fontes realistas em todos os oceanos do mundo com base na física conhecida sobre como e onde as ondas sísmicas são geradas pelas tempestades oceânicas, bem como como se movem através da Terra”, disse Gualtieri.

Uma versão do modelo Terra representou o planeta como um mundo estratificado simplista, onde as propriedades variam apenas com a profundidade, como um bolo de camadas. O outro modelo, mais realista, capturou mais da variação tridimensional em seu terreno subterrâneo, como um biscoito de chocolate. Para cada versão, os pesquisadores trocaram dados de profundidade subaquática para testar se características do fundo do mar como cânions, ravinas e montanhas – ao contrário da estrutura mais profunda – poderiam produzir ondas de Amor.

Os resultados mostram que as ondas de Amor são mal geradas na Terra unidimensional, em forma de bolo de camadas. No entanto, dadas cerca de 30 minutos e um mar revolto, as ondas de Amor emanavam de baixo do fundo do mar no modelo tridimensional. Quando as ondas Rayleigh e outras ondas sísmicas geradas pelas tempestades oceânicas encontram zonas mais quentes ou mais frias e diferentes materiais em sua jornada lateral através da Terra, o estudo sugere que sua energia se dispersa e se reorienta. No processo, uma parte do campo de ondas se converte em ondas de Amor. “Se você aplicar essas fontes de pressão das ondas oceânicas interferentes e você esperar, a Terra lhe dará todo o campo de ondas”, disse Gualtieri. “É a própria Terra que irá gerar as ondas de Amor.”

De acordo com Gualtieri, uma melhor compreensão de como estas vibrações surgem e se propagam através da Terra poderia ajudar a preencher lacunas no conhecimento não só do interior do nosso planeta, mas também do seu clima em mudança. Registros sísmicos analógicos datam de antes da era do satélite, e dados digitais de alta qualidade foram registrados por várias décadas.

“Esta base de dados contém informações sobre processos ambientais, e é praticamente inexplorada”, disse ela.