Grzmot działa jak rentgen dla Ziemi. Wystarczy zwykły światłowód

Grzmot nie kończy swojego życia w chwili, gdy dociera do naszych uszu. Fala ciśnienia uderza również w powierzchnię Ziemi i przekazuje jej część swojej energii. Powstają drgania tak słabe, że człowiek ich nie poczuje, ale dla kilku kilometrów światłowodu stają się bardzo czytelnym sygnałem. Naukowcy wykorzystali je właśnie do stworzenia obrazu gruntu sięgającego około 100 m w głąb Ziemi.

Do zajrzenia pod powierzchnię geofizycy wykorzystują fale sejsmiczne. Zasada przypomina w pewnym sensie tomografię medyczną, bo fala przechodzi przez różne materiały z różną prędkością, zmienia kierunek i rozprasza się. Jeżeli mamy wystarczająco dużo pomiarów, możemy odtworzyć właściwości ośrodka, przez który przeszła. W przypadku Ziemi różnice prędkości mogą zdradzać m.in. zmianę rodzaju skały, rozluźniony materiał, szczeliny, zawartość wody czy pustki.

Najwygodniejszym naturalnym źródłem energii są trzęsienia ziemi. Problem pojawia się tam, gdzie silnych trzęsień praktycznie nie ma albo występują zbyt rzadko. Można wtedy samemu wygenerować sygnał za pomocą specjalnych wibratorów sejsmicznych albo materiałów wybuchowych. Takie badanie kosztuje jednak pieniądze, wymaga dostępu do terenu, ludzi, sprzętu i pozwoleń. Zespół z Pennsylvania State University znalazł trzecie źródło. Pogodę.

Sam piorun błyskawicznie ogrzewa znajdujące się wokół niego powietrze. Gaz gwałtownie się rozszerza i tworzy falę ciśnienia, którą odbieramy jako grzmot. Część tej energii wędruje przez atmosferę w dół. Gdy dociera do powierzchni, wprawia grunt w bardzo delikatne drgania. Naukowcy nazywają takie zdarzenia thunderquakes – można to przetłumaczyć jako grzmotowe albo burzowe mikrowstrząsy. Nie chodzi o miniaturowe trzęsienie ziemi wywołane samym wyładowaniem elektrycznym.

Wcześniejsze badania zespołu wykazały, że dominujący mechanizm zaczyna się właśnie od fali akustycznej w powietrzu. Gdy spotyka ona powierzchnię oraz lokalne elementy terenu i infrastruktury, część energii zostaje przekazana do podłoża. Powstaje skomplikowana mieszanina fal sejsmicznych. Szczególnie ważne w nowym badaniu okazały się sprzężone z atmosferą fale Rayleigha rozchodzące się w pobliżu powierzchni. Ich różne częstotliwości docierają z różnymi prędkościami. To zjawisko, nazywane dyspersją, jest dla geofizyka niezwykle cenne, bo pozwala wnioskować o tym, jak właściwości gruntu zmieniają się wraz z głębokością.

Problemem do tej pory nie był brak grzmotów. Było nim ich dokładne zmierzenie. Fala akustyczna dociera do powierzchni pod różnymi kątami, odbija się od zabudowy, topografii i warstw gruntu. Na klasycznej, rzadkiej sieci sejsmometrów trudno rozdzielić wszystkie elementy tego chaosu. Tu pojawia się DAS, czyli Distributed Acoustic Sensing.

Badacze wykorzystali istniejący telekomunikacyjny kabel światłowodowy biegnący pod kampusem Penn State University Park. Miał około 2,5 mili, czyli nieco ponad 4 km. Do włókna podłączono urządzenie nazywane interrogatorem DAS. Wysyła ono do światłowodu serię impulsów laserowych. Maleńka część światła naturalnie rozprasza się na mikroskopijnych niejednorodnościach szkła i wraca w stronę urządzenia. Jeżeli grunt minimalnie rozciągnie albo ściśnie światłowód, zmienia się faza tego światła.

Zmiana jest mikroskopijna, ale laser potrafi ją wychwycić. W ten sposób jeden kabel przestaje być jedynie przewodem do przesyłania danych. Staje się gęstą linią czujników mierzących odkształcenia gruntu co kilka metrów i z częstotliwością setek próbek na sekundę. Na Spider’s Web pokazywaliśmy już, że światłowód można zamienić w gigantyczny czujnik drgań. W Alpach podobna technika pozwalała słuchać pracy lodowca i rejestrować ruch wody oraz pękanie lodu.

Jeszcze wcześniej opisywaliśmy wykorzystanie ciemnych światłowodów na dnie oceanów do wykrywania trzęsień ziemi i potencjalnie tsunami. Tym razem światłowód dostał jednak zupełnie inne źródło sygnału: nie Ziemię, lecz niebo.

Zespół nie oparł wyniku na jednej burzy. Przeanalizowano około 2,5 roku ciągłych zapisów DAS. Z ogromnego zbioru danych badacze wybrali 458 wysokiej jakości grzmotowych mikrowstrząsów. Każde zdarzenie dodatkowo porównywano z niezależnymi informacjami o wyładowaniach atmosferycznych, żeby upewnić się, że rejestrowany sygnał rzeczywiście pochodzi od burzy. Później zaczęła się trudniejsza część.

Naukowcy wykonali trójwymiarowe symulacje propagacji fal, aby zrozumieć, jak grzmot przechodzi z atmosfery do gruntu. Następnie wykorzystali interferometrię sejsmiczną. Pozwala ona porównywać sygnały zarejestrowane w różnych punktach światłowodu i matematycznie zachowywać się tak, jakby jeden fragment kabla był źródłem fali, a inne odbiornikami.

Powtarzające się zdarzenia nakładano na siebie, aby wzmocnić spójny sygnał i wygasić przypadkowy szum. Z otrzymanych fal powierzchniowych określono następnie ich dyspersję, a z niej prędkość fal poprzecznych w kolejnych warstwach gruntu. To właśnie te dane stały się podstawą tomografii.

Końcowy obraz sięgał do około 100 m pod powierzchnię. To nie jest metoda do zaglądania do płaszcza Ziemi ani badania jądra planety. Jej moc leży dokładnie po przeciwnej stronie skali: w bardzo płytkim podłożu, na którym stawiamy budynki, drogi i całą miejską infrastrukturę.

Kampus Penn State jest do tego wyjątkowo ciekawym miejscem, bo leży na podłożu krasowym. Pod powierzchnią znajdują się wapienie podatne na rozpuszczanie przez wodę. Z czasem mogą powstawać szczeliny, puste przestrzenie i osłabione strefy, które w najgorszym przypadku prowadzą do zapadlisk.

Tomografia wykonana z grzmotów ujawniła kilka wcześniej nierozpoznanych obszarów o niskiej prędkości fal sejsmicznych. Taka anomalia może oznaczać bardziej spękane, luźniejsze albo zmienione skały. Co ważne, naukowcy nie poprzestali na kolorowej mapce stworzonej przez algorytm.

Wyniki porównali z danymi z odwiertów i wcześniejszych badań inżynieryjnych. Część stref pokrywała się również z miejscami, w których radar satelitarny InSAR wykrywał deformację powierzchni. To właśnie niezależne potwierdzenie jest jednym z najmocniejszych elementów całego eksperymentu.

Sama zamiana fali atmosferycznej na ruch gruntu nie jest zresztą czymś bardzo nowym. Na Spider’s Web opisywaliśmy wcześniej wykorzystanie sejsmometrów do śledzenia kosmicznego złomu wpadającego do atmosfery. Obiekt lecący naddźwiękowo generuje falę uderzeniową, która dociera do powierzchni i również wprawia ją w ruch.

Przeczytaj także:

Z szeregu takich odczytów można odtworzyć trasę obiektu w atmosferze. Nowa metoda trochę to odwraca. Nie interesuje nas już przede wszystkim to, co działo się na niebie. Fala z nieba jest tylko darmowym młotkiem, którym natura uderza w powierzchnię. Patrzymy na to, jak po takim uderzeniu odpowiada Ziemia. Im dokładniej znamy odpowiedź, tym więcej możemy powiedzieć o tym, co znajduje się pod stopami.

*Źródło zdjęcia wprowadzającego: Umkreisel, pixabay