Vibrațiile călătoresc prin planeta noastră în valuri, precum acordurile care răsună la o chitară zgâlțâită. Cutremurele de pământ, vulcanii și agitația activității umane excită unele dintre aceste unde seismice. Multe altele reverberează de la furtunile oceanice conduse de vânt.

În timp ce furtunile agită mările lumii, valurile biciuite de vânt de la suprafață interacționează într-un mod unic care produce lovituri de presiune asemănătoare unor pistoane pe fundul mării, generând un flux de tremurături slabe care se unduiesc prin Pământ până în fiecare colț al globului.

„Există o amprentă a acestor trei sisteme ale Pământului în aceste date seismice ambientale: atmosfera, straturile exterioare stâncoase ale Pământului și oceanul”, a declarat geofizicianul Lucia Gualtieri de la Universitatea Stanford, autorul principal al unui articol publicat în Proceedings of the National Academy of Sciences, care ajută la rezolvarea unei enigme vechi de zeci de ani cu privire la fizica undelor seismice legate de furtunile oceanice.

Cunoscute sub numele de microseisme secundare, micile unde seismice excitate de vuietul oceanelor sunt atât de omniprezente și haotice încât seismologii au lăsat mult timp deoparte aceste date. „Atunci când înregistrați aceste unde, înregistrarea seismică arată ca un zgomot aleatoriu, deoarece există atât de multe surse, una aproape de cealaltă, de-a lungul zonei extinse a unei furtuni. Toate acționează în același timp, iar câmpurile de unde rezultate interferează unul cu celălalt”, a declarat Gualtieri. „Vrei să le arunci pur și simplu.”

Totuși, în ultimii 15 ani, cercetătorii au găsit o modalitate de a extrage semnificație din aceste date zgomotoase. Analizând cât de repede se deplasează perechile de unde de la o stație seismică la alta, ei au început să culeagă informații despre materialele prin care se deplasează. „Folosim undele seismice la fel ca razele X în imagistica medicală pentru scanarea Pământului”, a declarat Gualtieri, care este profesor asistent de geofizică în cadrul Școlii de Științe ale Pământului, Energiei & Mediului (Stanford Earth) de la Stanford.

Undele de dragoste de pe fundul oceanului

În comparație cu un singur val oceanic care se rostogolește la suprafață, care se stinge înainte de a ajunge în adâncuri, interacțiunile haotice ale valurilor care se deplasează în direcții opuse în timpul unei furtuni pot crea o mișcare de legănare în sus și în jos la suprafață care pulsează până la Pământul solid de dedesubt. Vibrațiile cunoscute sub numele de unde Rayleigh se deplasează apoi spre exterior de la puls, mișcând solul în sus și în jos pe măsură ce se deplasează.

De zeci de ani, oamenii de știință au înțeles componenta verticală a microseismelor din timpul furtunilor oceanice, unde domină undele Rayleigh. Dar există un alt set de vibrații înregistrate în timpul furtunilor oceanice care sunt inexplicabile în cadrul teoriilor acceptate pentru modul în care mările furtunoase generează mișcări în Pământul solid. Aceste vibrații, denumite undele Love după descoperitorul lor din secolul al XX-lea, împing particulele de rocă subterană dintr-o parte în alta – perpendicular pe traiectoria lor spre înainte – ca un șarpe alunecos. „Aceste unde nu ar trebui să existe deloc”, a declarat Gualtieri. „Nu știam de unde veneau.”

Științii au prezentat două explicații plauzibile. Una dintre idei este că atunci când forța verticală pompată în jos de valurile oceanice care se ciocnesc întâlnește o pantă de pe fundul mării, aceasta se împarte și formează cele două tipuri diferite de valuri de suprafață: Rayleigh și Love. „În acest caz, sursa undelor Love ar trebui să fie foarte aproape de sursa undelor Rayleigh, dacă nu chiar în aceeași locație”, a spus Gualtieri.

Dar cercetarea lui Gualtieri, scrisă împreună cu geologii de la Universitatea Princeton, constată că pantele și înclinațiile de pe fundul mării nu sunt suficient de abrupte pentru a genera forța orizontală puternică necesară pentru a produce undele Love captate de aparatele de înregistrare seismică. Rezultatele lor, publicate pe 9 noiembrie, susțin o teorie alternativă, în care undele Love își au originea în interiorul Pământului însuși. Se pare că atunci când mările bătute de vânt aruncă presiunea pe fundul mării, structura peticită a Pământului solid de dedesubt răspunde cu un zgomot propriu.

„Înțelegem cum cutremurele creează undele Love, dar niciodată nu ne-am dat seama exact cum le creează valurile oceanice”, a declarat expertul în zgomot seismic ambiental Keith Koper, profesor de geologie și geofizică și director al stațiilor seismografice de la Universitatea din Utah, care nu a fost implicat în acest studiu. „Acest lucru este puțin jenant, deoarece undele Love generate de ocean au fost observate de peste 50 de ani”. Lucrarea condusă de Gualtieri, a spus el, „oferă dovezi concludente” pentru modul în care valurile oceanice generează acest tip special de vibrație în Pământ.

Simularea Pământului

Utilizând supercomputerul Summit de la Oak Ridge National Laboratory, cercetătorii au simulat interacțiunile complexe care au loc între furtuni, valurile oceanice și Pământul solid pe perioade de trei ore. Cu o precizie de până la patru secunde, fiecare simulare a inclus 230.400 de surse de presiune împrăștiate pe întregul glob. „Folosim computerul ca pe un laborator, pentru a lăsa undele seismice să se propage de la surse realiste în toate oceanele lumii, pe baza fizicii cunoscute despre cum și unde sunt generate undele seismice de către furtunile oceanice, precum și despre modul în care acestea se deplasează prin Pământ”, a declarat Gualtieri.

O versiune a modelului Pământului a reprezentat planeta ca pe o lume stratificată simplistă, în care proprietățile variază doar cu adâncimea, ca un tort în straturi. Celălalt model, mai realist, a surprins mai multe variații tridimensionale ale terenului său subteran, ca o prăjitură cu fulgi de ciocolată. Pentru fiecare versiune, cercetătorii au activat și dezactivat datele privind adâncimea subacvatică pentru a testa dacă trăsăturile de pe fundul mării, cum ar fi canioanele, ravenele și munții – spre deosebire de structura mai adâncă – ar putea produce undele Love.

Rezultatele arată că undele Love sunt slab generate în Pământul unidimensional, asemănător cu o prăjitură stratificată. Cu toate acestea, având în vedere aproximativ 30 de minute și un ocean zgomotos, undele Love au emanat de sub fundul mării în modelul tridimensional. Atunci când undele Rayleigh și alte unde seismice generate de furtunile oceanice întâlnesc zone mai calde sau mai reci și materiale diferite în călătoria lor laterală prin Pământ, studiul sugerează că energia lor se împrăștie și se refocalizează. În acest proces, o parte din câmpul de unde se transformă în unde Love. „Dacă aplicați aceste surse de presiune de la undele oceanice care interferează și așteptați, Pământul vă va oferi întregul câmp de unde”, a declarat Gualtieri. „Pământul însuși este cel care va genera undele Love.”

Potrivit lui Gualtieri, o mai bună înțelegere a modului în care aceste vibrații apar și se propagă prin Pământ ar putea ajuta la umplerea lacunelor în cunoașterea nu doar a interiorului planetei noastre, ci și a schimbărilor climatice. Înregistrările seismice analogice datează dinaintea erei sateliților, iar datele digitale de înaltă calitate au fost înregistrate de câteva decenii.

„Această bază de date deține informații despre procesele de mediu și este practic neexploatată”, a spus ea.