Vibraties reizen door onze planeet in golven, zoals akkoorden die klinken uit een aangeslagen gitaar. Aardbevingen, vulkanen en de bedrijvigheid van de mens wekken sommige van deze seismische golven op. Nog veel meer golven weerklinken bij door de wind aangedreven oceaanstormen.

Als stormen de wereldzeeën woelen, werken de door de wind opgezweepte golven aan het oppervlak op een unieke manier op elkaar in, waardoor zuigerachtige drukstoten op de zeebodem ontstaan, die een stroom van zwakke bevingen opwekken die door de aarde golven naar elke uithoek van de wereldbol.

“Er is een afdruk van deze drie aardsystemen in deze omgevingsseismische gegevens: atmosfeer, rotsachtige buitenlagen van de aarde en oceaan,” zei geofysicus Lucia Gualtieri van de Stanford University, hoofdauteur van een artikel in Proceedings of the National Academy of Sciences dat helpt een decennia oud raadsel op te lossen over de fysica van seismische golven in verband met oceaanstormen.

Bekend als secundaire microseismes, zijn de kleine seismische golven die worden opgewekt door rommelende oceanen zo alomtegenwoordig en chaotisch dat seismologen de gegevens lang terzijde hebben geschoven. “Wanneer je deze golven registreert, lijkt het seismisch verslag op willekeurige ruis omdat er zoveel bronnen zijn, dicht bij elkaar in het uitgestrekte gebied van een storm. Ze werken allemaal op hetzelfde moment, en de resulterende golfvelden interfereren met elkaar,” zei Gualtieri. “Je wilt het gewoon weggooien.”

Toch hebben onderzoekers in de afgelopen 15 jaar een manier gevonden om betekenis te ontlenen aan deze ruisende gegevens. Door te analyseren hoe snel paren golven van het ene seismische station naar het andere reizen, zijn ze begonnen inzichten te verzamelen over de materialen waar ze doorheen bewegen. “We gebruiken seismische golven zoals röntgenstralen in medische beeldvorming voor het scannen van de aarde,” zei Gualtieri, die een assistent-professor in de geofysica is in Stanford’s School of Earth, Energy & Environmental Sciences (Stanford Earth).

Liefdesgolven van de oceaanbodem

In tegenstelling tot een enkele oceaangolf die over het oppervlak rolt en uitsterft voordat hij de diepzee bereikt, kunnen de chaotische interacties van golven die tijdens een storm in tegengestelde richtingen reizen een op-en-neer dobberende beweging aan het oppervlak creëren die helemaal naar de vaste aarde eronder pulseert. Trillingen, bekend als Rayleigh golven, verplaatsen zich dan naar buiten vanuit de puls, waarbij de grond op en neer wordt bewogen.

Al tientallen jaren begrijpen wetenschappers de verticale component van oceaan-storm microseismen, waar Rayleigh golven domineren. Maar er is nog een andere reeks trillingen die tijdens oceaanstormen worden geregistreerd en die onverklaarbaar zijn in de gangbare theorieën over hoe stormachtige zeeën bewegingen in de vaste aarde teweegbrengen. Deze trillingen, die Love-golven worden genoemd naar hun 20e-eeuwse ontdekker, schudden ondergrondse rotsdeeltjes van links naar rechts – loodrecht op hun pad voorwaarts – als een glibberige slang. “Deze golven zouden er helemaal niet moeten zijn,” zei Gualtieri. “We wisten niet waar ze vandaan kwamen.”

Wetenschappers hebben twee plausibele verklaringen gepresenteerd. Eén idee is dat wanneer de verticale kracht van botsende oceaangolven een helling op de zeebodem tegenkomt, deze zich splitst en de twee verschillende typen oppervlaktegolven vormt: Rayleigh en Love. “In dat geval zou de bron van Love-golven zeer dicht bij de bron van Rayleigh-golven liggen, zo niet op dezelfde locatie,” zei Gualtieri.

Maar het onderzoek van Gualtieri, samen met geowetenschappers van Princeton University, vindt dat de hellingen en hellingen van de zeebodem niet steil genoeg zijn om de sterke horizontale kracht te genereren die nodig is om de Love-golven te produceren die door seismische recorders worden opgepikt. Hun resultaten, die op 9 november zijn gepubliceerd, ondersteunen een alternatieve theorie, volgens welke de Love-golven in de aarde zelf ontstaan. Het blijkt dat wanneer winderige zeeën druk uitoefenen op de zeebodem, de lappendeken van de vaste aarde daaronder antwoordt met een geheel eigen geluid.

“We begrijpen hoe aardbevingen Love waves creëren, maar we hebben nooit precies uitgezocht hoe oceaangolven ze creëren,” zei seismisch geluidsexpert Keith Koper, een professor in geologie en geofysica en directeur van seismograafstations aan de Universiteit van Utah, die niet betrokken was bij de studie. “Dit is een beetje gênant omdat door de oceaan gegenereerde Love-golven al meer dan 50 jaar worden waargenomen.” De paper onder leiding van Gualtieri, zei hij, “levert overtuigend bewijs” voor hoe oceaangolven dit specifieke soort trillingen in de Aarde genereren.

Simuleren van de Aarde

Met behulp van de Summit supercomputer van het Oak Ridge National Laboratory, simuleerden de onderzoekers de complexe interacties die optreden tussen stormen, oceaangolven en de vaste Aarde over perioden van drie uur. Nauwkeurig tot op vier seconden, omvatte elke simulatie 230.400 drukbronnen verspreid over de hele wereld. “We gebruiken de computer als een laboratorium, om seismische golven zich te laten voortplanten vanuit realistische bronnen over de oceanen van de wereld, gebaseerd op bekende fysica over hoe en waar seismische golven worden opgewekt door oceaanstormen, evenals hoe ze door de Aarde bewegen,” zei Gualtieri.

Een versie van het model Aarde stelde de planeet voor als een simplistische gelaagde wereld, waar de eigenschappen alleen variëren met de diepte, zoals een lagenkoek. Het andere, meer natuurgetrouwe model gaf meer van de driedimensionale variatie in het ondergrondse terrein weer, zoals een chocolate chip cookie. Voor elke versie schakelden de onderzoekers onderwater dieptegegevens aan en uit om te testen of zeebodemkenmerken zoals ravijnen, ravijnen en bergen – in tegenstelling tot de diepere structuur – Love waves konden produceren.

De resultaten tonen aan dat Love waves slecht worden gegenereerd in de layer-cake-achtige, eendimensionale aarde. Gegeven ongeveer 30 minuten en een rommelende oceaan, echter, kwamen liefdesgolven van onder de zeebodem in het driedimensionale model. Wanneer Rayleigh-golven en andere seismische golven, gegenereerd door oceaanstormen, op warmere of koelere zones en verschillende materialen stuiten tijdens hun zijdelingse reis door de Aarde, suggereert de studie dat hun energie verstrooit en opnieuw gefocust wordt. Tijdens dit proces wordt een deel van het golfveld omgezet in Liefdesgolven. “Als je die drukbronnen van interfererende oceaangolven aanbrengt en je wacht, zal de Aarde je het hele golfveld geven,” zei Gualtieri. “Het is de aarde zelf die de liefdesgolven zal genereren.”

Volgens Gualtieri zou een beter begrip van hoe deze trillingen ontstaan en zich door de aarde voortplanten, kunnen helpen bij het opvullen van hiaten in de kennis van niet alleen het inwendige van onze planeet, maar ook van het veranderende klimaat. Analoge seismische opnamen dateren van voor het satelliettijdperk, en digitale gegevens van hoge kwaliteit worden al enkele decennia geregistreerd.

“Deze database bevat informatie over milieuprocessen, en die is vrijwel onbenut,” zei ze.