Värähtelyt kulkevat planeettamme läpi aaltoina, kuin soinnut, jotka soivat kitaraa soitettaessa. Maanjäristykset, tulivuoret ja ihmisen toiminnan vilske herättävät joitakin näistä seismisistä aalloista. Monet muut kaikuvat tuulen aiheuttamista valtamerimyrskyistä.

Kun myrskyt myllertävät maailman meriä, tuulen piiskaamat merenpinnan aallot vuorovaikuttavat keskenään ainutlaatuisella tavalla, joka saa aikaan männänmuotoisia paineen kolahduksia merenpohjassa, mikä synnyttää heikkojen järistysten virran, joka aaltoilee maapallon joka kolkassa.

”Tässä ympäristön seismisessä datassa on näiden kolmen maapallon järjestelmän jälki: ilmakehä, maapallon kiviset ulkokerrokset ja valtameri”, sanoo Stanfordin yliopiston geofyysikko Lucia Gualtieri, joka on Proceedings of the National Academy of Sciences -julkaisussa julkaistun artikkelin pääkirjoittaja, joka auttaa ratkaisemaan vuosikymmeniä vanhan arvoituksen valtameren myrskyihin liittyvien seismisten aaltojen fysiikasta.

Sekundaarisiksi mikroseismoiksi kutsutut pienet seismiset aallot, joita valtamerten jyrinä herättää, ovat niin yleisiä ja kaoottisia, että seismologit ovat pitkään sivuuttaneet tiedot. ”Kun näitä aaltoja rekisteröidään, seismiset tiedot näyttävät satunnaiselta kohinalta, koska lähteitä on niin paljon, ja ne ovat lähellä toisiaan myrskyn laajalla alueella. Ne kaikki vaikuttavat samaan aikaan, ja syntyvät aaltokentät häiritsevät toisiaan”, Gualtieri sanoo. ”Haluat vain hylätä ne.”

Viimeisten 15 vuoden aikana tutkijat ovat kuitenkin löytäneet keinon, jolla tästä kohina-aineistosta voidaan poimia merkitys. Analysoimalla, kuinka nopeasti aaltoparit kulkevat seismiseltä asemalta toiselle, he ovat alkaneet saada tietoa materiaaleista, joiden läpi ne liikkuvat. ”Käytämme seismisiä aaltoja kuin röntgensäteitä lääketieteellisessä kuvantamisessa maapallon skannaamiseen”, sanoo Gualtieri, joka on geofysiikan apulaisprofessori Stanfordin School of Earth, Energy & Environmental Sciences (Stanford Earth) -laitoksessa.

Rakkausaaltoja merenpohjasta

Toisin kuin yksittäinen merenpinnan yli vyöryvä valtameren aalto, joka sammuu ennen kuin se saavuttaa syvänmeren, myrskyn aikana vastakkaisiin suuntiin kulkevien aaltojen kaoottinen vuorovaikutus voi synnyttää pinnalla ylös- ja alaspäin suuntautuvan aaltoilevan liikkeen, joka pulssittaa alapuolella olevaan kiinteään maahan asti. Rayleighin aalloiksi kutsutut värähtelyt etenevät sitten pulssista ulospäin ja liikuttavat samalla maanpintaa ylös ja alas.

Tutkijat ovat vuosikymmenien ajan ymmärtäneet valtameren myrskyjen mikroseismien pystysuuntaista komponenttia, jossa Rayleighin aallot hallitsevat. Mutta on olemassa toinenkin valtamerimyrskyjen aikana rekisteröidyt värähtelyt, jotka eivät ole selitettävissä hyväksytyissä teorioissa siitä, miten myrskyiset meret synnyttävät liikkeitä kiinteässä maapallossa. Nämä värähtelyt, jotka on nimetty Love-aalloiksi 20. vuosisadan löytäjänsä mukaan, työntävät maanalaisia kalliohiukkasia sivulta toiselle – kohtisuoraan niiden kulkureittiä vastaan – kuin luikerteleva käärme. ”Näitä aaltoja ei pitäisi olla lainkaan”, Gualtieri sanoo. ”Emme tienneet, mistä ne tulevat.”

Tutkijat ovat esittäneet kaksi uskottavaa selitystä. Yksi ajatus on, että kun törmäävistä valtameren aalloista alaspäin pumppaava pystysuora voima törmää merenpohjan rinteeseen, se jakautuu ja muodostaa kaksi erilaista pinta-aaltotyyppiä: Rayleigh ja Love. ”Tällöin Love-aaltojen lähde olisi hyvin lähellä Rayleigh-aaltojen lähdettä, ellei jopa samassa paikassa”, Gualtieri sanoo.

Mutta Gualtierin yhdessä Princetonin yliopiston geotieteilijöiden kanssa tekemässä tutkimuksessa havaitaan, että merenpohjan rinteet ja kaltevuudet eivät ole tarpeeksi jyrkkiä synnyttääkseen voimakasta vaakasuuntaista voimaa, joka on välttämätön, jotta syntyisi Love-aaltoja, joita seismiset tallentimet havaitsevat. Marraskuun 9. päivänä julkaistut tulokset tukevat vaihtoehtoista teoriaa, jonka mukaan Love-aallot syntyvät maapallon sisällä. On käynyt ilmi, että kun tuulen pyyhkäisemät meret kuristavat painetta merenpohjaan, alapuolella oleva kiinteän maan tilkkutäkkirakenne vastaa omalla jyrinällään.

”Ymmärrämme, miten maanjäristykset synnyttävät Love-aaltoja, mutta emme ole koskaan tarkalleen ottaen selvittäneet, miten valtamerten aallot synnyttävät niitä”, sanoo seismisen melun asiantuntija Keith Koper, Utahin yliopiston geologian ja geofysiikan professori ja seismografiakeskusten johtaja, joka ei ollut mukana tutkimuksessa. ”Tämä on hieman noloa, koska valtamerten synnyttämiä Love-aaltoja on havaittu yli 50 vuoden ajan.” Gualtierin johtama artikkeli, hän sanoi, ”antaa vakuuttavia todisteita” siitä, miten valtameriaallot synnyttävät tämänkaltaista värähtelyä maapallossa.

Simuloimalla maapalloa

Tutkijat simuloivat Oak Ridgen kansallisessa laboratoriossa sijaitsevan Summit-supertietokoneen avulla monimutkaisia vuorovaikutussuhteita, joita esiintyy myrskyjen, valtameren aaltojen ja kiinteän maapallon välillä kolmen tunnin jaksoissa. Neljän sekunnin tarkkuudella kukin simulaatio sisälsi 230 400 painelähdettä, jotka olivat hajallaan koko maapallolla. ”Käytämme tietokonetta laboratoriona antaaksemme seismisten aaltojen levitä realistisista lähteistä ympäri maailman valtameriä perustuen tunnettuun fysiikkaan siitä, miten ja missä valtamerimyrskyt synnyttävät seismisiä aaltoja ja miten ne liikkuvat maapallon läpi”, Gualtieri sanoi.

Ensimmäinen versio mallin maapallosta esitti planeetan yksinkertaistettuna kerrostuneena maailmana, jossa ominaisuudet vaihtelevat vain syvyyden mukaan kuin kerroskakussa. Toinen, todenmukaisempi malli kuvasi enemmän maanalaisen maaston kolmiulotteista vaihtelua kuin suklaakeksi. Kummassakin versiossa tutkijat kytkivät vedenalaiset syvyystiedot päälle ja pois testatakseen, voivatko merenpohjan piirteet, kuten kanjonit, rotkot ja vuoret – toisin kuin syvemmällä oleva rakenne – synnyttää Love-aaltoja.

Tulokset osoittavat, että Love-aallot syntyvät huonosti kerros-kakun kaltaisessa, yksiulotteisessa Maassa. Kun otetaan huomioon noin 30 minuuttia ja jyrisevä valtameri, Love-aallot lähtevät kuitenkin merenpohjan alapuolelta kolmiulotteisessa mallissa. Kun Rayleigh-aallot ja muut valtamerimyrskyjen synnyttämät seismiset aallot kohtaavat kuumempia tai viileämpiä vyöhykkeitä ja erilaisia materiaaleja matkallaan sivusuunnassaan maapallon läpi, niiden energia hajoaa ja fokusoituu tutkimuksen mukaan uudelleen. Prosessin aikana osa aaltokentästä muuttuu Love-aalloiksi. ”Jos sovellat näitä interferoivien valtameriaaltojen painelähteitä ja odotat, Maa antaa sinulle koko aaltokentän”, Gualtieri sanoi. ”Maa itse synnyttää rakkausaallot.”

Gualtierin mukaan parempi ymmärrys siitä, miten nämä värähtelyt syntyvät ja etenevät Maassa, voisi auttaa täyttämään aukkoja tietämyksessä paitsi planeettamme sisätiloista myös sen muuttuvasta ilmastosta. Analogiset seismiset tallenteet ovat peräisin ajalta ennen satelliittiaikaa, ja korkealaatuista digitaalista dataa on tallennettu useiden vuosikymmenten ajan.

”Tämä tietokanta sisältää tietoa ympäristöprosesseista, ja se on käytännössä hyödyntämätön”, hän sanoi.