Исследование определяет подводное происхождение загадочных волн Лява, расшифровывая часть непрерывных вибраций Земли
Вибрации распространяются по нашей планете в виде волн, подобно аккордам, звучащим после удара по гитаре. Землетрясения, вулканы и активность человека вызывают некоторые из этих сейсмических волн. Но многие другие реверберируют от океанских штормов, вызванных ветром. Уникальное взаимодействие волн на поверхности во время шторма создает поршнеподобные удары давления на морском дне, генерируя поток слабых толчков, которые пронизывают Землю.
«В этих фоновых сейсмических данных есть отпечаток трех земных систем: атмосферы, каменистых внешних слоев Земли и океана», — говорит геофизик из Стэнфордского университета Люсия Гуальтьери, ведущий автор статьи в Proceedings of the National Academy of Sciences, которая помогает разрешить многолетнюю загадку физики сейсмических волн, связанных с океанскими штормами.
Волны, известные как вторичные микросейсмы, настолько повсеместны и хаотичны, что сейсмологи долгое время откладывали эти данные в сторону. Однако за последние 15 лет исследователи нашли способ извлечь из них смысл, анализируя скорость распространения пар волн между станциями для получения информации о строении недр.
Волны Лява со дна океана
Хорошо изучены вертикальные колебания (волны Рэлея), которые доминируют в микросейсмах от штормов. Но существует и другой набор вибраций — волны Лява, которые заставляют частицы горных пород колебаться горизонтально, перпендикулярно направлению распространения. Их происхождение долгое время оставалось необъяснимым в рамках принятых теорий.
Новое исследование, проведенное с коллегами из Принстонского университета, показывает, что наклоны морского дна недостаточно круты, чтобы генерировать сильную горизонтальную силу, необходимую для создания волн Лява. Результаты, опубликованные 9 ноября, подтверждают альтернативную теорию: волны Лява рождаются внутри самой Земли. Когда давление от взаимодействующих океанских волн передается на морское дно, неоднородная структура твердой Земли под ним отвечает собственной вибрацией.
«Мы понимаем, как землетрясения создают волны Лява, но мы так и не выяснили, как их создают океанские волны. Эта статья дает убедительные доказательства», — отмечает эксперт по фоновому сейсмическому шуму Кейт Копер из Университета Юты, не участвовавший в исследовании.
Моделирование Земли
Используя суперкомпьютер Summit в Национальной лаборатории Ок-Ридж, исследователи смоделировали сложные взаимодействия между штормами, океанскими волнами и твердой Землей. Они сравнили две модели: упрощенную «слоеный пирог», где свойства меняются только с глубиной, и более реалистичную трехмерную, учитывающую боковые неоднородности недр («песочное печенье с шоколадной крошкой»).
Результаты показали, что волны Лява практически не генерируются в одномерной модели. Однако в трехмерной модели, примерно через 30 минут после начала моделирования океанской активности, волны Лява начали исходить из-под морского дна. Исследование предполагает, что когда волны Рэлея, созданные штормами, сталкиваются с более горячими или холодными зонами и разными материалами в своем боковом путешествии через Землю, их энергия рассеивается и перефокусируется. В этом процессе часть волнового поля преобразуется в волны Лява.
«Если вы приложите эти источники давления от взаимодействующих океанских волн и подождете, Земля даст вам все волновое поле. Это сама Земля будет генерировать волны Лява», — поясняет Гуальтьери.
По ее словам, лучшее понимание того, как возникают и распространяются эти вибрации, может помочь заполнить пробелы в знаниях не только о внутреннем строении нашей планеты, но и об изменении климата. Аналоговые сейсмические записи относятся к эпохе до спутников, а высококачественные цифровые данные собираются уже несколько десятилетий. «Эта база данных хранит информацию об окружающих процессах, и она практически не использована», — заключает исследователь.