Les vibrations parcourent notre planète par vagues, comme les accords qui résonnent d’une guitare grattée. Les tremblements de terre, les volcans et l’agitation de l’activité humaine excitent certaines de ces ondes sismiques. Beaucoup d’autres sont provoquées par les tempêtes océaniques provoquées par le vent.

Lorsque les tempêtes barattent les mers du monde, les vagues fouettées par le vent à la surface interagissent d’une manière unique qui produit des coups de piston de pression sur le plancher océanique, générant un flux de faibles tremblements qui ondulent à travers la Terre jusqu’aux quatre coins du globe.

« Il y a une empreinte de ces trois systèmes terrestres dans ces données sismiques ambiantes : l’atmosphère, les couches externes rocheuses de la Terre et l’océan », a déclaré la géophysicienne de l’Université de Stanford, Lucia Gualtieri, auteur principal d’un article paru dans Proceedings of the National Academy of Sciences qui aide à résoudre une énigme vieille de plusieurs décennies sur la physique des ondes sismiques liées aux tempêtes océaniques.

Connues sous le nom de microséismes secondaires, les petites ondes sismiques excitées par le grondement des océans sont si omniprésentes et chaotiques que les sismologues ont longtemps mis les données de côté. « Lorsque vous enregistrez ces ondes, l’enregistrement sismique ressemble à un bruit aléatoire parce qu’il y a tellement de sources, proches les unes des autres à travers la zone étendue d’une tempête. Elles agissent toutes en même temps, et les champs d’ondes qui en résultent interfèrent les uns avec les autres », explique M. Gualtieri. « Vous voulez simplement les rejeter. »

Pourtant, au cours des 15 dernières années, les chercheurs ont trouvé un moyen d’extraire du sens de ces données bruyantes. En analysant la vitesse à laquelle des paires d’ondes se déplacent d’une station sismique à une autre, ils ont commencé à glaner des informations sur les matériaux qu’elles traversent. « Nous utilisons les ondes sismiques comme les rayons X en imagerie médicale pour scanner la Terre », a déclaré Gualtieri, qui est professeur adjoint de géophysique à l’école des sciences de la Terre, de l’énergie &environnementale de Stanford (Stanford Earth).

Vagues d’amour du fond de l’océan

Contrairement à une vague océanique unique roulant à la surface, qui s’éteint avant d’atteindre les profondeurs de la mer, les interactions chaotiques des vagues voyageant dans des directions opposées pendant une tempête peuvent créer un mouvement de bobinage de haut en bas à la surface qui pulse jusqu’à la terre solide en dessous. Des vibrations connues sous le nom d’ondes de Rayleigh se propagent alors vers l’extérieur à partir de la pulsation, déplaçant le sol vers le haut et vers le bas au fur et à mesure.

Depuis des décennies, les scientifiques ont compris la composante verticale des microséismes des tempêtes océaniques, où les ondes de Rayleigh dominent. Mais il existe un autre ensemble de vibrations enregistrées pendant les tempêtes océaniques qui sont inexplicables dans les théories acceptées sur la façon dont les mers orageuses génèrent des mouvements dans la Terre solide. Ces vibrations, appelées ondes de Love du nom de leur découvreur du XXe siècle, bousculent les particules rocheuses souterraines d’un côté à l’autre – perpendiculairement à leur trajectoire vers l’avant – comme un serpent rampant. « Ces ondes ne devraient pas être là du tout », a déclaré Gualtieri. « Nous ne savions pas d’où elles venaient. »

Les scientifiques ont présenté deux explications plausibles. Une idée est que lorsque la force verticale pompée par les vagues océaniques qui s’entrechoquent rencontre une pente sur le plancher océanique, elle se divise et forme les deux différents types de vagues de surface : Rayleigh et Love. « Dans ce cas, la source des ondes de Love serait très proche de la source des ondes de Rayleigh, si ce n’est au même endroit », a déclaré Gualtieri.

Mais les recherches de Gualtieri, cosignées avec des géoscientifiques de l’Université de Princeton, révèlent que les pentes et les inclinaisons du plancher océanique ne sont pas assez abruptes pour générer la forte force horizontale nécessaire pour produire les ondes de Love captées par les enregistreurs sismiques. Leurs résultats, publiés le 9 novembre, vont dans le sens d’une autre théorie, selon laquelle les ondes de Love prennent naissance au sein même de la Terre. Il s’avère que lorsque des mers balayées par les vents font descendre la pression jusqu’au plancher océanique, la structure en patchwork de la Terre solide qui se trouve en dessous répond avec une vibration qui lui est propre.

« Nous comprenons comment les tremblements de terre créent les ondes d’Amour, mais nous n’avons jamais exactement compris comment les ondes océaniques les créent », a déclaré l’expert en bruit sismique ambiant Keith Koper, professeur de géologie et de géophysique et directeur des stations sismographiques à l’Université de l’Utah, qui n’a pas participé à l’étude. « C’est un peu gênant car les ondes de Love générées par l’océan sont observées depuis plus de 50 ans ». L’article dirigé par Gualtieri, a-t-il dit, « fournit des preuves concluantes » de la façon dont les vagues océaniques génèrent ce type particulier de vibration dans la Terre.

Simuler la Terre

Utilisant le superordinateur Summit du Laboratoire national d’Oak Ridge, les chercheurs ont simulé les interactions complexes qui se produisent entre les tempêtes, les vagues océaniques et la Terre solide sur des périodes de trois heures. Précise à quatre secondes près, chaque simulation comprenait 230 400 sources de pression réparties sur l’ensemble du globe. « Nous utilisons l’ordinateur comme un laboratoire, pour laisser les ondes sismiques se propager à partir de sources réalistes dans tous les océans du monde, sur la base de la physique connue sur la façon et l’endroit où les ondes sismiques sont générées par les tempêtes océaniques, ainsi que sur la façon dont elles se déplacent à travers la Terre », a déclaré Gualtieri.

Une version du modèle de la Terre représentait la planète comme un monde stratifié simpliste, où les propriétés ne varient qu’avec la profondeur, comme un gâteau à couches. L’autre modèle, plus fidèle à la réalité, capturait davantage la variation tridimensionnelle de son terrain souterrain, comme un cookie aux pépites de chocolat. Pour chaque version, les chercheurs ont activé et désactivé les données sur la profondeur sous-marine afin de vérifier si les caractéristiques du plancher océanique comme les canyons, les ravins et les montagnes – par opposition à la structure plus profonde – pouvaient produire des ondes d’Amour.

Les résultats montrent que les ondes d’Amour sont mal générées dans la Terre unidimensionnelle semblable à un gâteau en couches. Cependant, compte tenu d’une trentaine de minutes et d’un océan grondant, des ondes d’Amour ont émané de sous le plancher océanique dans le modèle tridimensionnel. Lorsque les ondes de Rayleigh et les autres ondes sismiques générées par les tempêtes océaniques rencontrent des zones plus chaudes ou plus froides et différents matériaux au cours de leur voyage latéral à travers la Terre, l’étude suggère que leur énergie se disperse et se recentre. Au cours de ce processus, une partie du champ d’ondes se transforme en ondes de Love. « Si vous appliquez ces sources de pression provenant des vagues océaniques interférentes et que vous attendez, la Terre vous donnera l’intégralité du champ d’ondes », a déclaré Gualtieri. « C’est la Terre elle-même qui va générer les ondes d’amour. »

Selon Gualtieri, une meilleure compréhension de la façon dont ces vibrations naissent et se propagent à travers la Terre pourrait aider à combler les lacunes dans la connaissance non seulement de l’intérieur de notre planète mais aussi de son climat changeant. Les enregistrements sismiques analogiques datent d’avant l’ère des satellites, et des données numériques de haute qualité sont enregistrées depuis plusieurs décennies.

« Cette base de données contient des informations sur les processus environnementaux, et elle est pratiquement inexploitée », a-t-elle déclaré.