Geofysikere og atmosfæriske forskere samarbejder om at spore tyfoners seismiske fodspor

Klimatologer bliver ofte spurgt, "Gør klimaændringer orkaner stærkere?" men de kan ikke give et endeligt svar, fordi den globale orkanrekord kun går tilbage til satellittidens begyndelse. Men nu, et skæringspunkt af discipliner - seismologi, atmosfæriske videnskaber, og oceanografi - tilbyder en uudnyttet datakilde:den kontinuerlige seismiske rekord, som går tilbage til begyndelsen af ​​det 20. århundrede.

Et internationalt team af forskere har fundet en ny måde at identificere orkanernes bevægelse og intensitet, tyfoner og andre tropiske cykloner ved at spore den måde, de ryster havbunden på, som registreret på seismometre på øer og nær kysten. Efter at have set på 13 års data fra det nordvestlige Stillehav, de har fundet statistisk signifikante sammenhænge mellem seismiske data og storme. Deres arbejde blev offentliggjort 15. februar i tidsskriftet Earth and Planetary Science Letters .

Ekspertgruppen blev samlet af Princeton Universitys Lucia Gualtieri, en postdoc-forsker i geovidenskab, og Salvatore Pascale, en associeret forsker i atmosfæriske og oceaniske videnskaber.

De fleste mennesker forbinder seismologi med jordskælv, sagde Gualtieri, men langt størstedelen af ​​den seismiske registrering viser lav-intensitetsbevægelser fra en anden kilde:havene. "Et seismogram er dybest set jordens bevægelse. Det registrerer jordskælv, fordi et jordskælv får jorden til at ryste. Men den registrerer også alle de små andre bevægelser, " fra forbipasserende tog til orkaner. "Tyfoner dukker meget godt op i rekorden, " hun sagde.

For der er ingen måde at vide, hvornår et jordskælv vil ramme, seismometre kører konstant, altid klar til at registrere et jordskælvs dramatiske ankomst. Ind imellem disse jordrystende begivenheder, de sporer planetens baggrundsrumlen. Indtil for omkring 20 år siden, geofysikere afviste denne lavintensive rumlen som støj, sagde Gualtieri.

"Hvad er støj? Støj er et signal, vi ikke forstår, sagde Pascale, som også er associeret forsker ved National and Oceanic and Atmospheric Administration's Geophysical Fluid Dynamics Laboratory.

Ligesom astronomer har opdaget, at statikken mellem radiostationer giver os information om den kosmiske baggrund, seismologer har opdaget, at den lave "støj" optaget af seismogrammer er signaturen på vinddrevne havstorme, den kumulative effekt af bølger, der slår ned på strande over hele kloden eller kolliderer med hinanden i det åbne hav.

En havbølge, der virker alene, er ikke stærk nok til at generere en seismisk signatur ved de frekvenser, hun undersøgte, forklarede Gualtieri, fordi typiske havbølger kun påvirker de øverste få fod af havet. "Partikelbevægelsen henfalder eksponentielt med dybden, så på havbunden ser du ikke noget, " sagde hun. "Den vigtigste mekanisme til at generere seismiske abnormiteter fra en tyfon er at have to havbølger, der interagerer med hinanden." Når to bølger kolliderer, de genererer lodret tryk, der kan nå havbunden og rykke et nærliggende seismometer.

Når en storm er stor nok - og storme klassificeret som orkaner eller tyfoner er - vil den efterlade en seismisk rekord, der varer flere dage. Tidligere forskere har med succes sporet individuelle store storme på et seismogram, men Gualtieri kom til spørgsmålet fra den modsatte side:kan et seismogram finde nogen stor storm i området?

Gualtieri og hendes kolleger fandt en statistisk signifikant overensstemmelse mellem forekomsten af ​​tropiske cykloner og stor amplitude, langvarige seismiske signaler med korte perioder, mellem tre og syv sekunder, kaldet "sekundære mikroseismer". De var også i stand til at beregne tyfonernes styrke ud fra disse "sekundære mikroseismer, " eller små udsving, som de med succes korrelerede med den observerede intensitet af stormene.

Kort sagt, den seismiske registrering havde nok data til at identificere, hvornår tyfoner skete, og hvor stærke de var.

Indtil nu, forskerne har fokuseret på havet ud for Asiens kyst på grund af dets kraftige tyfoner og gode netværk af seismiske stationer. Deres næste skridt inkluderer at forfine deres metode og undersøge andre stormbassiner, begyndende med Caribien og det østlige Stillehav.

Og så vil de tackle den historiske seismiske rekord:"Når vi har en meget defineret metode og har anvendt denne metode til alle disse andre regioner, vi vil begynde at gå tilbage i tiden, " sagde Gualtieri.

Mens global storminformation kun går tilbage til de tidlige dage af satellit-æraen, i slutningen af ​​1960'erne og begyndelsen af ​​1970'erne, de første moderne seismogrammer blev skabt i 1880'erne. Desværre, de ældste optegnelser findes kun på papir, og få historiske optegnelser er blevet digitaliseret.

"Hvis alle disse data kan gøres tilgængelige, vi kunne have optegnelser, der går mere end et århundrede tilbage, og så kunne vi prøve at se enhver tendens eller ændring i intensiteten af ​​tropiske cykloner over et århundrede eller mere, " sagde Pascale. "Det er meget svært at fastslå tendenser i intensiteten af ​​tropiske cykloner - at se virkningen af ​​den globale opvarmning. Modeller og teorier tyder på, at de burde blive mere intense, men det er vigtigt at finde observationsbevis."

"Denne nye teknik, hvis det kan påvises at være gyldigt på tværs af alle tropiske cyklonbassiner, forlænger satellittiden effektivt, " sagde Morgan O'Neill, en T.C. Chamberlin Postdoctoral Fellow i geovidenskab ved University of Chicago, som ikke var involveret i denne forskning. "Det forlænger det tidsrum, vi har global dækning af tropiske cykloner og intensitet, " hun sagde.

Forskernes evne til at korrelere seismiske data med stormintensitet er afgørende, sagde Allison Wing, en adjunkt i jord, hav- og atmosfærisk videnskab ved Florida State University, som ikke var involveret i denne undersøgelse. "Når det kommer til at forstå tropiske cykloner - hvad der styrer deres variabilitet og deres reaktion på klima og klimaændringer - er det bedre at have flere data, især data, der kan fortælle os om intensitet, hvilket deres metode synes at gøre. ... Det hjælper os med at begrænse omfanget af variabilitet, som orkanens intensitet kan have."

Denne forbindelse mellem storme og seismicitet begyndte, da Gualtieri besluttede at lege med orkandata i sin fritid. hun sagde. Men da hun lagde orkandataene over de seismiske data, hun vidste, at hun var i gang med noget. "Jeg sagde, 'Wow, der er noget mere end bare leg. Lad os kontakte en, der kan hjælpe."

Hendes forskerhold voksede i sidste ende til at omfatte en anden seismolog, to atmosfæriske videnskabsmænd og en statistiker. "Den mest udfordrende del var at etablere kommunikation med forskere fra forskellige baggrunde, sagde Pascale. Ofte, inden for forskellige videnskabsområder, vi taler forskellige dialekter, forskellige videnskabelige dialekter."

Når de først udviklede en "delt dialekt, " han sagde, de begyndte at gøre spændende opdagelser.

"Det er sådan videnskaben udvikler sig, sagde Pascale. Historisk set, det har altid været sådan. Discipliner udvikler sig først inden for deres eget rige, så er en ny mark født."