Le vibrazioni viaggiano attraverso il nostro pianeta in onde, come accordi che risuonano da una chitarra suonata. I terremoti, i vulcani e il trambusto dell’attività umana eccitano alcune di queste onde sismiche. Molte altre riverberano dalle tempeste oceaniche guidate dal vento.

Quando le onde oceaniche agitate dal vento inviano tonfi di pressione simili a pistoni sul fondo del mare, la struttura a mosaico della Terra solida sottostante risponde con un tonfo tutto suo. (Image credit: Andrey Polivanov / )

Quando le tempeste agitano i mari del mondo, le onde agitate dal vento in superficie interagiscono in un modo unico che produce tonfi di pressione a pistone sul fondo del mare, generando un flusso di deboli scosse che ondeggiano attraverso la Terra in ogni angolo del pianeta.

“C’è un’impronta di questi tre sistemi terrestri in questi dati sismici ambientali: atmosfera, strati esterni rocciosi della Terra e oceano”, ha detto il geofisico della Stanford University Lucia Gualtieri, autore principale di un documento in Proceedings of the National Academy of Sciences che aiuta a risolvere un enigma vecchio di decenni sulla fisica delle onde sismiche relative alle tempeste oceaniche.

Conosciute come microsismi secondari, le piccole onde sismiche eccitate dal rimbombo degli oceani sono così onnipresenti e caotiche che i sismologi hanno a lungo messo da parte i dati. “Quando si registrano queste onde, il record sismico appare come un rumore casuale perché ci sono così tante fonti, una vicina all’altra attraverso l’area estesa di una tempesta. Stanno agendo tutte allo stesso tempo, e i campi d’onda risultanti interferiscono tra loro”, ha detto Gualtieri. “

Tuttavia, negli ultimi 15 anni, i ricercatori hanno trovato un modo per estrarre un significato da questi dati rumorosi. Analizzando la velocità con cui le coppie di onde viaggiano da una stazione sismica all’altra, hanno iniziato a ricavare informazioni sui materiali attraverso cui si muovono. “Usiamo le onde sismiche come i raggi X nell’imaging medico per la scansione della Terra”, ha detto Gualtieri, che è un assistente professore di geofisica nella Stanford School of Earth, Energy & Environmental Sciences (Stanford Earth).

Onde d’amore dal fondo dell’oceano

A differenza di una singola onda oceanica che rotola sulla superficie, che si estingue prima di raggiungere le profondità marine, le caotiche interazioni delle onde che viaggiano in direzioni opposte durante una tempesta possono creare un movimento di oscillazione su e giù in superficie che pulsa fino alla terra solida sottostante. Le vibrazioni conosciute come onde di Rayleigh viaggiano poi verso l’esterno dell’impulso, muovendo il terreno su e giù al loro passaggio.

Per decenni, gli scienziati hanno compreso la componente verticale dei microsismi oceanici, dove dominano le onde di Rayleigh. Ma c’è un’altra serie di vibrazioni registrate durante le tempeste oceaniche che sono inspiegabili nelle teorie accettate su come i mari in tempesta generano movimenti nella Terra solida. Queste vibrazioni, chiamate onde Love dal nome del loro scopritore del 20° secolo, spingono le particelle di roccia sotterranee da un lato all’altro – perpendicolarmente al loro percorso in avanti – come un serpente strisciante. “Queste onde non dovrebbero esserci affatto”, ha detto Gualtieri. “Non sapevamo da dove venissero.”

Gli scienziati hanno presentato due spiegazioni plausibili. Un’idea è che quando la forza verticale pompata giù dalle onde oceaniche in collisione incontra un pendio sul fondo del mare, si divide e forma i due diversi tipi di onda superficiale: Rayleigh e Love. “In questo caso, la fonte delle onde Love sarebbe molto vicina alla fonte delle onde Rayleigh, se non la stessa posizione”, ha detto Gualtieri.

Ma la ricerca di Gualtieri, di cui sono coautori i geologi dell’Università di Princeton, trova che i pendii e le pendenze del fondo marino non sono abbastanza ripidi da generare la forte forza orizzontale necessaria per produrre le onde Love raccolte dai registratori sismici. I loro risultati, pubblicati il 9 novembre, supportano una teoria alternativa, in cui le onde d’amore hanno origine all’interno della Terra stessa. Si scopre che quando i mari spazzati dal vento spingono la pressione fino al fondo del mare, la struttura a mosaico della Terra solida sottostante risponde con un tintinnio tutto suo.

“Abbiamo capito come i terremoti creano le onde d’amore, ma non abbiamo mai capito esattamente come le onde oceaniche le creano”, ha detto l’esperto di rumore sismico ambientale Keith Koper, un professore di geologia e geofisica e direttore delle stazioni sismografiche presso l’Università dello Utah, che non era coinvolto nello studio. “Questo è un po’ imbarazzante perché le onde Love generate dall’oceano sono state osservate per oltre 50 anni”. Il documento guidato da Gualtieri, ha detto, “fornisce prove conclusive” per come le onde oceaniche generano questo particolare tipo di vibrazione nella Terra.

Simulando la Terra

Utilizzando il supercomputer Summit dell’Oak Ridge National Laboratory, i ricercatori hanno simulato le complesse interazioni che avvengono tra le tempeste, le onde oceaniche e la Terra solida su periodi di tre ore. Accurata fino a quattro secondi, ogni simulazione includeva 230.400 fonti di pressione sparse in tutto il mondo. “Stiamo usando il computer come un laboratorio, per far propagare le onde sismiche da fonti realistiche in tutti gli oceani del mondo, basandoci sulla fisica conosciuta su come e dove le onde sismiche sono generate dalle tempeste oceaniche, così come su come si muovono attraverso la Terra”, ha detto Gualtieri.

Una versione del modello della Terra rappresentava il pianeta come un mondo stratificato semplicistico, dove le proprietà variano solo con la profondità, come una torta a strati. L’altro modello, più realistico, ha catturato più della variazione tridimensionale nel suo terreno sotterraneo, come un biscotto al cioccolato. Per ogni versione, i ricercatori hanno acceso e spento i dati di profondità subacquea per verificare se le caratteristiche del fondo marino come canyon, burroni e montagne – al contrario della struttura più profonda – potrebbero produrre onde d’amore.

I risultati mostrano che le onde d’amore sono scarsamente generate nella Terra monodimensionale, simile a una torta a strati. Dati circa 30 minuti e un oceano rombante, tuttavia, le onde d’amore emanano da sotto il fondo del mare nel modello tridimensionale. Quando le onde Rayleigh e altre onde sismiche generate dalle tempeste oceaniche incontrano zone più calde o più fredde e materiali diversi nel loro viaggio laterale attraverso la Terra, lo studio suggerisce che la loro energia si disperde e si rifocalizza. Nel processo, una parte del campo d’onda si converte in onde Love. “Se si applicano quelle fonti di pressione da onde oceaniche interferenti e si aspetta, la Terra vi darà l’intero campo d’onda”, ha detto Gualtieri. “Secondo Gualtieri, una migliore comprensione di come queste vibrazioni nascono e si propagano attraverso la Terra potrebbe aiutare a colmare le lacune nella conoscenza non solo dell’interno del nostro pianeta, ma anche dei suoi cambiamenti climatici. Le registrazioni sismiche analogiche risalgono a prima dell’era satellitare, e i dati digitali di alta qualità sono stati registrati per diversi decenni.

“Questo database contiene informazioni sui processi ambientali, ed è praticamente inutilizzato”, ha detto.