Undersøgelse identificerer den undersøiske oprindelse af mystiske kærlighedsbølger, afkodning af nogle af Jordens kontinuerlige vibrationer

Vibrationer rejser gennem vores planet i bølger, som akkorder, der lyder fra en trommede guitar. Jordskælv, vulkaner og travlheden af ​​menneskelig aktivitet ophidser nogle af disse seismiske bølger. Mange flere giver genlyd fra vinddrevne havstorme.

Mens storme vælter verdens have, vind-piskede bølger ved overfladen interagerer på en unik måde, der producerer stempellignende dunk af tryk på havbunden, genererer en strøm af svage rystelser, der bølger gennem Jorden til hvert hjørne af kloden.

"Der er et aftryk af disse tre jordsystemer i disse omgivende seismiske data:atmosfære, Jordens ydre klippelag og hav, " sagde Stanford University geofysiker Lucia Gualtieri, hovedforfatter af et papir i Proceedings of the National Academy of Sciences der hjælper med at løse en årtier gammel gåde om fysikken i seismiske bølger relateret til havstorme.

Kendt som sekundære mikroseismer, de små seismiske bølger ophidset af rumlende oceaner er så allestedsnærværende og kaotiske, at seismologer længe har lagt dataene til side. "Når du optager disse bølger, den seismiske registrering ligner tilfældig støj, fordi der er så mange kilder, den ene tæt på den anden på tværs af det udvidede område af en storm. De optræder alle på samme tid, og de resulterende bølgefelter interfererer med hinanden, " sagde Gualtieri. "Du vil bare kassere det."

Men i løbet af de sidste 15 år, forskere har fundet en måde at udtrække mening fra disse støjende data. Ved at analysere, hvor hurtigt bølgepar bevæger sig fra en seismisk station til en anden, de er begyndt at få indsigt i de materialer, de bevæger sig igennem. "Vi bruger seismiske bølger som røntgenstråler i medicinsk billeddannelse til at scanne Jorden, " sagde Gualtieri, som er assisterende professor i geofysik ved Stanford's School of Earth, Energi- og miljøvidenskab (Stanford Earth).

Kærlighedsbølger fra havbunden

I modsætning til en enkelt havbølge, der ruller hen over overfladen, som dør ud før det når det dybe hav, de kaotiske vekselvirkninger af bølger, der bevæger sig i modsatte retninger under en storm, kan skabe en op-og-ned vippende bevægelse ved overfladen, der pulserer hele vejen til den faste Jord nedenfor. Vibrationer kendt som Rayleigh-bølger bevæger sig derefter udad fra pulsen, flytte jorden op og ned, mens de går.

I årtier, videnskabsmænd har forstået den vertikale komponent af havstormmikroseismer, hvor Rayleigh-bølger dominerer. Men der er et andet sæt vibrationer registreret under havstorme, som er uforklarlige i de accepterede teorier for, hvordan stormfulde hav genererer bevægelser i den faste Jord. Disse vibrationer, opkaldt Love waves efter deres opdager fra det 20. århundrede, skubbe underjordiske stenpartikler side til side – vinkelret på deres vej frem – som en glidende slange. "Disse bølger burde slet ikke være der, " sagde Gualtieri. "Vi vidste ikke, hvor de kom fra."

Forskere har præsenteret to plausible forklaringer. En idé er, at når den lodrette kraft, der pumper ned fra kolliderende havbølger, støder på en skråning på havbunden, den splitter og danner de to forskellige overfladebølgetyper:Rayleigh og Love. "I det tilfælde, kilden til kærlighedsbølger ville være meget tæt på kilden til Rayleigh-bølger, hvis ikke samme sted, " sagde Gualtieri.

Men Gualtieris forskning, co-forfattet med geovidenskabsmænd fra Princeton University, finder, at skråningerne og hældningerne på havbunden ikke er stejle nok til at generere den stærke vandrette kraft, der er nødvendig for at frembringe de kærlighedsbølger, der opfanges af seismiske optagere. Deres resultater, udgivet 9. nov. støtte en alternativ teori, hvor Kærlighedsbølger stammer fra selve Jorden. Det viser sig, at når vindblæste hav drosler trykket ned til havbunden, patchwork-strukturen af ​​den faste jord nedenunder svarer med et helt eget trommeslag.

"Vi forstår, hvordan jordskælv skaber kærlighedsbølger, men vi har aldrig helt fundet ud af, hvordan havbølger skaber dem, " sagde ekspert i omgivende seismisk støj Keith Koper, en professor i geologi og geofysik og direktør for seismografstationer ved University of Utah, som ikke var involveret i undersøgelsen. "Dette er lidt pinligt, fordi hav-genererede kærlighedsbølger er blevet observeret i over 50 år." Avisen ledet af Gualtieri, han sagde, "giver afgørende beviser" for, hvordan havets bølger genererer denne særlige form for vibration i Jorden.

Simulering af Jorden

Ved at bruge Summit-supercomputeren på Oak Ridge National Laboratory, forskerne simulerede de komplekse interaktioner, der opstår mellem storme, havbølger og den faste jord over tre timers perioder. Nøjagtig ned til fire sekunder, hver simulering inkluderede 230, 400 trykkilder spredt over hele kloden. "Vi bruger computeren som et laboratorium, at lade seismiske bølger forplante sig fra realistiske kilder over hele verdenshavene baseret på kendt fysik om hvordan og hvor seismiske bølger genereres af havstorme, samt hvordan de bevæger sig gennem jorden, " sagde Gualtieri.

En version af modellen Jorden repræsenterede planeten som en simplistisk lagdelt verden, hvor egenskaberne kun varierer med dybden, som en lagkage. Den anden, mere naturtro model fangede mere af den tredimensionelle variation i dets underjordiske terræn, som en chokoladekage. For hver version, forskerne tændte og slukker for undervandsdybdedata for at teste, om havbundens funktioner som kløfter, kløfter og bjerge – i modsætning til den dybere struktur – kunne producere kærlighedsbølger.

Resultaterne viser, at kærlighedsbølger er dårligt genereret i den lagkage-lignende, endimensionel Jord. Givet omkring 30 minutter og et rumlende hav, imidlertid, Kærlighedsbølger udgik fra under havbunden i den tredimensionelle model. Når Rayleigh-bølger og andre seismiske bølger genereret af havstorme støder på varmere eller køligere zoner og forskellige materialer i deres laterale rejse gennem Jorden, undersøgelsen tyder på, at deres energi spreder sig og omfokuserer. I processen, en del af bølgefeltet konverteres til kærlighedsbølger. "Hvis du påfører disse trykkilder fra forstyrrende havbølger, og du venter, Jorden vil give dig hele bølgefeltet, " sagde Gualtieri. "Det er Jorden selv, der vil generere kærlighedsbølgerne."

Ifølge Gualtieri, en bedre forståelse af, hvordan disse vibrationer opstår og forplanter sig gennem Jorden, kunne bidrage til at udfylde huller i viden om ikke kun vores planets indre, men også dens skiftende klima. Analoge seismiske optagelser går tilbage til før satellittiden, og digitale data af høj kvalitet er blevet logget i flere årtier.

"Denne database indeholder oplysninger om miljøprocesser, og det er stort set uudnyttet, " hun sagde.