Vibrationer färdas genom vår planet i vågor, som ackord som ljuder från en gitarr som spelas på. Jordbävningar, vulkaner och den livliga mänskliga aktiviteten exciterar en del av dessa seismiska vågor. Många fler återges av vinddrivna havsstormar.

När stormar kastar upp världens hav, interagerar de vindpinade vågorna på ytan på ett unikt sätt som ger upphov till kolvliknande tryckstötar på havsbotten, vilket genererar en ström av svaga skakningar som böljar genom jorden till varje hörn av jordklotet.

”Det finns ett avtryck av dessa tre jordsystem i dessa seismiska data: atmosfären, jordens yttre stenlager och havet”, säger Lucia Gualtieri, geofysiker vid Stanford University, som är huvudförfattare till en artikel i Proceedings of the National Academy of Sciences som bidrar till att lösa en årtionden gammal gåta om fysiken hos seismiska vågor i samband med havsstormar.

De små seismiska vågorna, som kallas sekundära mikroseismer och som stimuleras av mullrande hav, är så allestädes närvarande och kaotiska att seismologer länge har lagt uppgifterna åt sidan. ”När man registrerar dessa vågor ser de seismiska uppgifterna ut som slumpmässigt brus eftersom det finns så många källor, den ena nära den andra över stormens utsträckta område. De agerar alla samtidigt och de resulterande vågfälten interfererar med varandra”, säger Gualtieri. ”Man vill bara kasta bort det.”

Men under de senaste 15 åren har forskarna hittat ett sätt att extrahera mening ur dessa brusiga data. Genom att analysera hur snabbt par av vågor färdas från en seismisk station till en annan har de börjat samla insikter om de material som de rör sig genom. ”Vi använder seismiska vågor som röntgenstrålar i medicinsk avbildning för att skanna jorden”, säger Gualtieri, som är biträdande professor i geofysik vid Stanfords School of Earth, Energy & Environmental Sciences (Stanford Earth).

Kärleksvågor från havsbotten

Till skillnad från en enskild havsvåg som rullar över ytan och som dör ut innan den når djuphavet, kan det kaotiska samspelet mellan vågor som färdas i motsatta riktningar under en storm skapa en upp- och nedåtgående guppande rörelse vid ytan som pulserar ända ner till den fasta jorden nedanför. Vibrationer som kallas Rayleighvågor rör sig sedan utåt från pulsen och förflyttar marken uppåt och nedåt när de går.

I årtionden har forskarna förstått den vertikala komponenten av mikroseism i havsstormar, där Rayleighvågorna dominerar. Men det finns en annan uppsättning vibrationer som registreras under havsstormar och som är oförklarliga i de accepterade teorierna om hur stormiga hav genererar rörelser i den fasta jorden. Dessa vibrationer, som kallas Love-vågor efter deras upptäckare på 1900-talet, stöter underjordiska stenpartiklar från sida till sida – vinkelrätt mot deras väg framåt – likt en slingrande orm. ”Dessa vågor borde inte finnas där alls”, säger Gualtieri. ”Vi visste inte var de kom ifrån.”

Vetenskapsmännen har presenterat två plausibla förklaringar. Den ena idén är att när den vertikala kraften som pumpas ner från kolliderande havsvågor möter en sluttning på havsbotten, delar den sig och bildar de två olika typerna av ytvågor: Rayleigh och Love. ”I så fall skulle källan till Love-vågor vara mycket nära källan till Rayleigh-vågor, om inte på samma plats”, säger Gualtieri.

Men Gualtieris forskning, som han har skrivit tillsammans med geovetare från Princeton University, visar att havsbottens sluttningar och lutningar inte är tillräckligt branta för att generera den starka horisontella kraft som krävs för att producera Love-vågorna, som fångas upp av seismiska inspelare. Deras resultat, som publicerades den 9 november, stöder en alternativ teori, enligt vilken kärleksvågorna uppstår i själva jorden. Det visar sig att när vindpinade hav stryper trycket ner till havsbottnen svarar den fasta jordens lapptäcke undertill med en alldeles egen duns.

”Vi förstår hur jordbävningar skapar Kärleksvågor, men vi har aldrig riktigt förstått hur havsvågorna skapar dem”, säger Keith Koper, expert på omgivande seismiskt buller, professor i geologi och geofysik och föreståndare för seismografiska stationer vid Utah-universitetet, som inte var inblandad i studien. ”Detta är lite pinsamt eftersom havsgenererade Love-vågor har observerats i över 50 år.” Den artikel som leds av Gualtieri, sade han, ”ger avgörande bevis” för hur havsvågor genererar denna speciella typ av vibrationer i jorden.

Simulering av jorden

Med hjälp av superdatorn Summit vid Oak Ridge National Laboratory simulerade forskarna de komplexa interaktionerna som uppstår mellan stormar, havsvågor och den fasta jorden under tretimmarsperioder. Med en noggrannhet ner till fyra sekunder inkluderade varje simulering 230 400 tryckkällor utspridda över hela jordklotet. ”Vi använder datorn som ett laboratorium för att låta seismiska vågor sprida sig från realistiska källor över hela världshaven baserat på känd fysik om hur och var seismiska vågor genereras av havsstormar, samt hur de rör sig genom jorden”, säger Gualtieri.

En version av jordmodellen representerade planeten som en förenklad skiktad värld, där egenskaperna endast varierar med djupet, likt en lagerkaka. Den andra, mer verklighetstrogna modellen fångade mer av den tredimensionella variationen i den underjordiska terrängen, som en chokladkaka. För varje version växlade forskarna in och ut data om undervattensdjup för att testa om egenskaper på havsbotten som kanjoner, raviner och berg – i motsats till den djupare strukturen – kunde producera kärleksvågor.

Resultaten visar att kärleksvågor genereras dåligt i den skikttårtliknande, endimensionella jorden. Med ungefär 30 minuter och ett mullrande hav utgick Love-vågor dock från under havsbotten i den tredimensionella modellen. När Rayleighvågor och andra seismiska vågor som genereras av havsstormar möter varmare eller kallare zoner och olika material under sin resa i sidled genom jorden, tyder studien på att deras energi sprids och fokuseras på nytt. I processen omvandlas en del av vågfältet till Love-vågor. ”Om du applicerar dessa tryckkällor från interfererande havsvågor och väntar, kommer jorden att ge dig hela vågfältet”, säger Gualtieri. ”Det är jorden själv som kommer att generera kärleksvågorna.”

En bättre förståelse av hur dessa vibrationer uppstår och fortplantar sig genom jorden skulle enligt Gualtieri kunna bidra till att fylla luckor i kunskapen om inte bara vår planets inre utan också om dess förändrade klimat. Analoga seismiska inspelningar går tillbaka till tiden före satelliternas tid, och högkvalitativa digitala data har loggats i flera decennier.

”Den här databasen innehåller information om miljöprocesser, och den är praktiskt taget oexploaterad”, säger hon.