A rezgések hullámokban terjednek bolygónkon, mint a gitáron megszólaló akkordok. Földrengések, vulkánok és az emberi tevékenység nyüzsgése gerjeszti e szeizmikus hullámok egy részét. Sokkal több visszhangzik a szél által keltett óceáni viharoktól.

Amikor a viharok felkavarják a világtengereket, a szél által felkorbácsolt hullámok a felszínen olyan egyedi módon lépnek kölcsönhatásba egymással, hogy a tengerfenéken dugattyúszerű nyomásdobbanások keletkeznek, amelyek gyenge rengések folyamát generálják, amelyek a Földön keresztül a földgolyó minden sarkába eljutnak.

“Ezekben a környezeti szeizmikus adatokban e három földi rendszer lenyomata jelenik meg: a légkör, a Föld külső kőzetrétegei és az óceán” – mondta Lucia Gualtieri, a Stanford Egyetem geofizikusa, a Proceedings of the National Academy of Sciences című folyóiratban megjelent tanulmány vezető szerzője, aki segít megoldani egy évtizedes rejtélyt az óceáni viharokkal kapcsolatos szeizmikus hullámok fizikájával kapcsolatban.

A másodlagos mikroszeizmusként ismert, a dübörgő óceánok által gerjesztett kis szeizmikus hullámok annyira mindenütt jelen vannak és olyan kaotikusak, hogy a szeizmológusok sokáig félretették az adatokat. “Amikor ezeket a hullámokat rögzítjük, a szeizmikus felvételek véletlenszerű zajnak tűnnek, mert olyan sok forrás van, egymáshoz közel a vihar kiterjedt területén. Ezek mind egyszerre hatnak, és a keletkező hullámmezők interferálnak egymással” – mondta Gualtieri. “Az ember egyszerűen el akarja dobni.”

Az elmúlt 15 évben a kutatók mégis megtalálták a módját annak, hogy értelmet nyerjenek ezekből a zajos adatokból. Azzal, hogy elemezték, milyen gyorsan haladnak a hullámpárok az egyik szeizmikus állomásról a másikra, elkezdtek betekintést nyerni az anyagokba, amelyeken keresztül haladnak. “A szeizmikus hullámokat úgy használjuk a Föld letapogatására, mint a röntgensugarakat az orvosi képalkotásban” – mondta Gualtieri, aki a Stanford School of Earth, Energy & Environmental Sciences (Stanford Earth) geofizika adjunktusa.

Szerelmes hullámok az óceánfenékről

A felszínen végiggördülő egyetlen óceáni hullámmal ellentétben, amely elhal, mielőtt elérné a tenger mélyét, a vihar során ellentétes irányban haladó hullámok kaotikus kölcsönhatásai a felszínen fel-le hullámzó mozgást hozhatnak létre, amely egészen a lenti szilárd földig lüktet. A Rayleigh-hullámok néven ismert rezgések ezután az impulzusból kifelé haladnak, és közben fel-le mozgatják a talajt.

A tudósok évtizedek óta ismerik az óceáni viharok mikroszezizmusának függőleges komponensét, ahol a Rayleigh-hullámok dominálnak. Van azonban az óceáni viharok során rögzített rezgéseknek egy másik csoportja is, amely megmagyarázhatatlan az elfogadott elméletekkel arra vonatkozóan, hogy a viharos tengerek hogyan generálnak mozgásokat a szilárd földben. Ezek a rezgések, amelyeket 20. századi felfedezőjük után Love-hullámoknak neveztek el, a föld alatti kőzetrészecskéket csúszó kígyóként lökdösik ide-oda – merőlegesen az előre vezető útjukra. “Ezeknek a hullámoknak egyáltalán nem kellene ott lenniük” – mondta Gualtieri. “Nem tudtuk, honnan jönnek.”

A tudósok két hihető magyarázattal álltak elő. Az egyik elképzelés szerint, amikor az összeütköző óceáni hullámokból lefelé pumpáló függőleges erő a tengerfenék lejtőjébe ütközik, szétválik, és kialakul a két különböző felszíni hullámtípus: Rayleigh és Love. “Ebben az esetben a Love-hullámok forrása nagyon közel lenne a Rayleigh-hullámok forrásához, ha nem is ugyanazon a helyen” – mondta Gualtieri.

De Gualtieri kutatása, amelyet a Princeton Egyetem geotudósaival közösen írt, azt találta, hogy a tengerfenék lejtői és lejtői nem elég meredekek ahhoz, hogy a szeizmikus rekorderek által érzékelt Love-hullámok keletkezéséhez szükséges erős vízszintes erő keletkezzen. A november 9-én közzétett eredményeik egy alternatív elméletet támasztanak alá, amely szerint a Love-hullámok magában a Földben keletkeznek. Kiderül, hogy amikor a szeles tengerek nyomást fojtanak le a tengerfenékre, az alatta lévő szilárd föld foltos szerkezete a maga dübörgésével válaszol.

“Tudjuk, hogy a földrengések hogyan hozzák létre a Love-hullámokat, de arra még nem jöttünk rá pontosan, hogy az óceáni hullámok hogyan hozzák létre azokat” – mondta Keith Koper, a környezeti szeizmikus zaj szakértője, a geológia és geofizika professzora és a Utah-i Egyetem szeizmográfiai állomásainak igazgatója, aki nem vett részt a tanulmányban. “Ez egy kicsit kínos, mert az óceánok által keltett szerelemhullámokat már több mint 50 éve megfigyelték”. A Gualtieri által vezetett tanulmány szerinte “meggyőző bizonyítékot szolgáltat” arra, hogy az óceáni hullámok hogyan generálják ezt a különleges rezgéstípust a Földben.”

Szimuláló Föld

A kutatók az Oak Ridge Nemzeti Laboratórium Summit szuperszámítógépét használva szimulálták a viharok, az óceáni hullámok és a szilárd Föld között háromórás időszakokban fellépő összetett kölcsönhatásokat. Négy másodperces pontossággal, minden egyes szimuláció 230 400 nyomásforrást tartalmazott, amelyek az egész földgolyón szétszóródtak. “A számítógépet laboratóriumként használjuk, hogy a szeizmikus hullámok valósághű forrásokból terjedjenek a világ óceánjain, az ismert fizika alapján, hogy hogyan és hol keletkeznek a szeizmikus hullámok az óceáni viharok által, valamint hogyan mozognak a Földön keresztül” – mondta Gualtieri.

A Földmodell egyik változata a bolygót egy leegyszerűsített réteges világként ábrázolta, ahol a tulajdonságok csak a mélységgel változnak, mint egy réteges torta. A másik, valósághűbb modell a föld alatti terep háromdimenziós változatosságát jobban megragadta, mint egy csokis süti. A kutatók mindkét változatnál ki- és bekapcsolták a víz alatti mélységi adatokat, hogy teszteljék, hogy a tengerfenék olyan jellemzői, mint a kanyonok, szakadékok és hegyek – szemben a mélyebb struktúrával – képesek-e Love-hullámokat létrehozni.

Az eredmények azt mutatják, hogy a Love-hullámok rosszul keletkeznek a rétegtorta-szerű, egydimenziós Földön. Körülbelül 30 perc és egy dübörgő óceán esetén azonban a háromdimenziós modellben a Love-hullámok a tengerfenék alól indultak ki. Amikor az óceáni viharok által keltett Rayleigh-hullámok és más szeizmikus hullámok a Földön való oldalirányú útjuk során forróbb vagy hűvösebb zónákkal és különböző anyagokkal találkoznak, a tanulmány szerint energiájuk szóródik és újrafókuszálódik. A folyamat során a hullámmező egy része Love-hullámokká alakul át. “Ha ezeket az interferáló óceáni hullámokból származó nyomásforrásokat alkalmazzuk, és várunk, a Föld a teljes hullámmezőt adja” – mondta Gualtieri. “Maga a Föld lesz az, ami a Szeretethullámokat generálja.”

Gualtieri szerint annak jobb megértése, hogy ezek a rezgések hogyan keletkeznek és terjednek a Földön keresztül, segíthet kitölteni a bolygónk belsejéről, de a változó éghajlatról szóló ismeretek hiányosságait is. Az analóg szeizmikus felvételek még a műholdak korszaka előttről származnak, a jó minőségű digitális adatokat pedig már több évtizede rögzítik.

“Ez az adatbázis információkat tartalmaz a környezeti folyamatokról, és gyakorlatilag kiaknázatlan” – mondta.”