Wibracje podróżują przez naszą planetę w falach, jak akordy wybrzmiewające z wystukiwanej gitary. Trzęsienia ziemi, wulkany i zgiełk ludzkiej działalności wzbudzają niektóre z tych fal sejsmicznych. Wiele innych rozbrzmiewa od napędzanych wiatrem sztormów oceanicznych.

As storms churn the world’s seas, wind-whipped waves at the surface interact in a unique way that produces piston-like thumps of pressure on the seafloor, generating a stream of faint tremors that undulate through Earth to every corner of the globe.

„W tych danych sejsmicznych jest odcisk tych trzech systemów ziemskich: atmosfery, zewnętrznych skalistych warstw Ziemi i oceanu”, powiedziała geofizyk z Uniwersytetu Stanforda Lucia Gualtieri, główna autorka pracy w Proceedings of the National Academy of Sciences, która pomaga rozwiązać trwające od dziesięcioleci zagadnienie fizyki fal sejsmicznych związanych z burzami oceanicznymi.

Znane jako wtórne mikrosejsmizmy, małe fale sejsmiczne wzbudzane przez dudniące oceany są tak wszechobecne i chaotyczne, że sejsmolodzy długo odkładali te dane na bok. „Kiedy rejestruje się te fale, zapis sejsmiczny wygląda jak przypadkowy szum, ponieważ jest tak wiele źródeł, jedno blisko drugiego na całym rozległym obszarze burzy. Wszystkie one działają w tym samym czasie, a powstałe pola falowe zakłócają się wzajemnie” – powiedział Gualtieri. „Chcesz je po prostu odrzucić.”

W ciągu ostatnich 15 lat naukowcy znaleźli sposób, aby wydobyć znaczenie z tych hałaśliwych danych. Analizując, jak szybko pary fal przemieszczają się z jednej stacji sejsmicznej do drugiej, zaczęli oni wyciągać wnioski na temat materiałów, przez które się przemieszczają. „Używamy fal sejsmicznych jak promieni rentgenowskich w obrazowaniu medycznym do skanowania Ziemi,” powiedział Gualtieri, który jest adiunktem geofizyki w Stanford’s School of Earth, Energy & Environmental Sciences (Stanford Earth).

Fale miłości z dna oceanu

W przeciwieństwie do pojedynczej fali oceanicznej przetaczającej się przez powierzchnię, która ginie zanim dotrze do głębin morskich, chaotyczne interakcje fal podróżujących w przeciwnych kierunkach podczas burzy mogą stworzyć ruch bobbingowy góra-dół na powierzchni, który pulsuje aż do stałej Ziemi poniżej. Wibracje znane jako fale Rayleigha następnie podróżują na zewnątrz od impulsu, poruszając ziemię w górę i w dół, jak idą.

Przez dziesięciolecia naukowcy rozumieli pionowy składnik oceanicznych mikrosejsmów burzowych, gdzie dominują fale Rayleigha. Istnieje jednak inny zestaw drgań rejestrowanych podczas sztormów oceanicznych, które są niewytłumaczalne w przyjętych teoriach na temat tego, jak wzburzone morza generują ruchy w stałej Ziemi. Te wibracje, nazwane falami Love’a od nazwiska ich dwudziestowiecznego odkrywcy, wstrząsają podziemnymi cząsteczkami skalnymi z boku na bok – prostopadle do ich drogi do przodu – jak wijący się wąż. „Te fale w ogóle nie powinny tam być” – powiedział Gualtieri. „Nie wiedzieliśmy skąd one pochodzą”

Naukowcy przedstawili dwa prawdopodobne wyjaśnienia. Jeden pomysł jest taki, że kiedy pionowa siła pompująca w dół od zderzających się fal oceanicznych napotyka na zbocze dna morskiego, rozdziela się i tworzy dwa różne rodzaje fal powierzchniowych: Rayleigha i Love’a. „W takim przypadku źródło fal Love’a byłoby bardzo blisko źródła fal Rayleigha, jeśli nie w tym samym miejscu,” powiedział Gualtieri.

Ale badania Gualtieri’ego, których współautorem są geologowie z Uniwersytetu Princeton, wykazały, że zbocza i pochyłości dna morskiego nie są wystarczająco strome, aby wygenerować silną siłę poziomą niezbędną do wytworzenia fal Love’a odbieranych przez rejestratory sejsmiczne. Ich wyniki, opublikowane 9 listopada, wspierają alternatywną teorię, w której fale Love’a powstają wewnątrz samej Ziemi. Okazuje się, że kiedy omiatane wiatrem morza dławią ciśnienie aż do dna morskiego, patchworkowa struktura stałej Ziemi pod spodem odpowiada z własnym brzmieniem.

„Rozumiemy, jak trzęsienia ziemi tworzą fale Love’a, ale nigdy dokładnie nie rozgryźliśmy, jak fale oceaniczne je tworzą”, powiedział ekspert od hałasu sejsmicznego Keith Koper, profesor geologii i geofizyki oraz dyrektor stacji sejsmograficznych na Uniwersytecie Utah, który nie był zaangażowany w badania. „Jest to trochę żenujące, ponieważ generowane przez ocean fale Love’a są obserwowane od ponad 50 lat”. Praca prowadzona przez Gualtieri, powiedział, „dostarcza rozstrzygających dowodów” na to, jak fale oceaniczne generują ten szczególny rodzaj wibracji w Ziemi.

Symulacja Ziemi

Używając superkomputera Summit w Oak Ridge National Laboratory, badacze symulowali złożone interakcje, które zachodzą pomiędzy burzami, falami oceanicznymi i stałą Ziemią w okresach trzygodzinnych. Dokładność do czterech sekund, każda symulacja obejmowała 230 400 źródeł ciśnienia rozproszonych po całej kuli ziemskiej. „Używamy komputera jako laboratorium, aby pozwolić falom sejsmicznym rozchodzić się z realistycznych źródeł po oceanach świata w oparciu o znaną fizykę o tym, jak i gdzie fale sejsmiczne są generowane przez burze oceaniczne, jak również jak poruszają się przez Ziemię,” powiedział Gualtieri.

Jedna wersja modelu Ziemi reprezentowała planetę jako uproszczony świat warstwowy, gdzie właściwości różnią się tylko z głębokością, jak ciasto warstwowe. Inny, bardziej prawdziwy do życia model uchwycił więcej z trójwymiarowej zmienności w swoim podziemnym terenie, jak ciasteczko z kawałkami czekolady. Dla każdej wersji badacze włączali i wyłączali dane dotyczące głębokości podwodnej, aby sprawdzić, czy cechy dna morskiego, takie jak kaniony, wąwozy i góry – w przeciwieństwie do głębszej struktury – mogą wytwarzać fale miłości.

Wyniki pokazują, że fale miłości są słabo generowane w jednowymiarowej Ziemi przypominającej ciasto warstwowe. Jednak po około 30 minutach i przy dudniącym oceanie, fale Love’a emanowały spod dna morskiego w modelu trójwymiarowym. Kiedy fale Rayleigha i inne fale sejsmiczne generowane przez burze oceaniczne napotykają gorętsze lub chłodniejsze strefy i różne materiały w swojej bocznej podróży przez Ziemię, badania sugerują, że ich energia rozprasza się i skupia. W tym procesie, część pola falowego przekształca się w fale Love’a. „Jeśli zastosujesz te źródła ciśnienia z interferujących fal oceanicznych i poczekasz, Ziemia da ci całe pole falowe” – powiedział Gualtieri. „To sama Ziemia wygeneruje fale miłości.”

Według Gualtieri, lepsze zrozumienie tego, jak te wibracje powstają i rozchodzą się przez Ziemię, może pomóc wypełnić luki w wiedzy nie tylko o wnętrzu naszej planety, ale także o jej zmieniającym się klimacie. Analogowe nagrania sejsmiczne pochodzą jeszcze sprzed ery satelitów, a wysokiej jakości dane cyfrowe są rejestrowane od kilku dekad.

„Ta baza danych zawiera informacje o procesach środowiskowych i jest praktycznie niewykorzystana”, powiedziała.

.