Οι κεραυνοί χαρτογραφούν την υπόγεια επιφάνεια;

Οι ερευνητές έχουν καταλάβει πώς η βροντή μετατρέπεται σε σεισμικά κύματα και πώς αυτή η δόνηση θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να αποκαλυφθεί η υπόγεια γεωλογία. 

Το χτύπημα σε καλώδια οπτικών ινών για τη μέτρηση του τρόπου με τον οποίο τα σεισμικά κύματα τεντώνονται και συμπιέζονται είναι ένας τρόπος ανίχνευσης του είδους της κυματικής ενέργειας που κινείται στο έδαφος. Οι ερευνητές μπορούν να χρησιμοποιήσουν αυτές τις πληροφορίες για να χαρτογραφήσουν τη γύρω γεωλογία.Πηγή: Christoph Scholz/Flickr, CC BY-SA 2.0

Οι καταιγίδες βουίζουν και κυλιούνται στον ουρανό, τινάζοντας τα παράθυρα και τρομάζοντας τα κατοικίδια. Καθώς τα ακουστικά κύματα ταξιδεύουν από τον αέρα στο έδαφος, δημιουργούν σεισμικά κύματα. Οι ερευνητές έχουν πλέον δείξει ότι αυτοί οι «κεραυνοί» μπορούν να ανιχνευθούν από θαμμένα καλώδια οπτικών ινών και να χρησιμοποιηθούν για την απεικόνιση των ανώτερων λίγων μέτρων του υπεδάφους. Η μέθοδος θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να εντοπίσουν αόρατους, ρηχούς κινδύνους, όπως καταβόθρες, ειδικά σε αστικές περιοχές όπου ενδέχεται να μην υπάρχουν διαθέσιμα σεισμόμετρα.

Ήχος ενός κεραυνού ! Η βροντή βουίζει υπόγεια σε αυτήν την εκδήλωση σεισμικών γεγονότων που προκαλούνται από κεραυνούς που καταγράφηκαν από το καλώδιο τηλεπικοινωνιών οπτικών ινών κάτω από την πανεπιστημιούπολη του Penn State στις 15 Απριλίου 2019. Το επάνω γράφημα δείχνει τέντωμα και καταπόνηση συμπίεσης στο καλώδιο οπτικών ινών που προκαλείται από την κίνηση του εδάφους από τους κραδασμούς του ο κεραυνός. Το έγχρωμο κάτω γράφημα απεικονίζει τη συχνότητα σε Hertz των δονήσεων. Από, Tieyuan Zhu και David Stenrud/AGU.

Η μεθοδολογία κατανεμημένης ακουστικής ανίχνευσης (DAS) παρακολουθεί τους κραδασμούς και εκμεταλλεύεται τα καλώδια οπτικών ινών που είναι εγκατεστημένα υπόγεια. Μέσα σε ένα καλώδιο υπάρχουν μεγάλοι γυάλινοι σωλήνες που μεταφέρουν παλμούς φωτός λέιζερ, μεταδίδοντας δεδομένα σε πόλεις και ωκεανούς. Ορισμένες από τις ίνες χρησιμοποιούνται για επικοινωνίες, αλλά άλλες ίνες θεωρούνται «νεκρές» και δεν χρησιμοποιούνται. Αυτά τα σκέλη μπορούν να χρησιμοποιηθούν για συστήματα DAS.

Καθώς οι παλμοί λέιζερ στέλνουν σήμα στο καλώδιο, το φως αντανακλάται από ατέλειες, φυσαλίδες αέρα και σκόνη μέσα στο γυαλί. "Ο υπολογιστής μας, αυτό που ονομάζουμε συσκευή ερωτήσεων, ακούει όλες αυτές τις μικρές, μικροσκοπικές αντανακλάσεις από τις ατέλειες στην ίνα και μαθαίνει την κανονική κατάσταση [του καλωδίου]", είπε ο Nolan Roth, γεωφυσικός διδακτορικός φοιτητής στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια και κύριος συγγραφέας της εργασίας. Το αποτέλεσμα είναι ένα είδος χάρτη ατελειών.

Οποιοδήποτε σεισμικό κύμα τινάζει το έδαφος θα επηρεάσει επίσης τα θαμμένα καλώδια οπτικών ινών. Καθώς ένα κύμα χτυπά τα καλώδια, το σύστημα τεντώνεται και συμπιέζεται, αλλάζοντας τη θέση των ατελειών. Ο ερευνητής μπορεί να δει αυτές τις αλλαγές και η νέα μελέτη δείχνει ότι με ορισμένους υπολογισμούς, οι επιστήμονες μπορούν να καταλάβουν τα χαρακτηριστικά ενός διερχόμενου σεισμικού κύματος.

Ο Roth και οι συνεργάτες του χώρισαν τα περισσότερα από 4.200 μέτρα καλωδίων οπτικών ινών σε μια διάταξη DAS κάτω από το Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια σε τμήματα και μέτρησαν τις ατέλειες κάθε λίγα μέτρα. Εξέτασαν πώς εκατοντάδες κύματα κεραυνού χτύπησαν διάφορα μέρη του καλωδίου.

Τα σεισμόμετρα μετρούν τρεις κατευθύνσεις κίνησης: δύο οριζόντιες και μία κάθετη. Οι συστοιχίες DAS καταγράφουν τα σεισμικά κύματα ως συμπίεση και τέντωμα του καλωδίου προς μία μόνο κατεύθυνση, είπε ο Roth, «κάτι που καθιστά πολύ δύσκολο να καταλάβεις τι είδους κύματα κοιτάς».

Για να πάρουν περισσότερες πληροφορίες σχετικά με τα κύματα, ο Roth και οι συνεργάτες του παρακολούθησαν πώς διαφορετικές γωνίες μεταξύ του μήκους του καλωδίου και του προσανατολισμού του εισερχόμενου κύματος παρήγαγαν διαφορετικά πλάτη σήματος στα καλώδια. Διαμόρφωσαν το πώς ένα τέτοιο ακουστικό κύμα που προκλήθηκε από έναν κεραυνό θα έμπαινε στο έδαφος και θα μετατρεπόταν σε σεισμικό κύμα και πώς θα παρεμπόδιζε τη διάταξη DAS.

Η μοντελοποίησή τους αποκάλυψε πώς κινήθηκαν οι ατέλειες του καλωδίου και τον τύπο του σεισμικού κύματος που παρήχθη. Οι ερευνητές δημοσίευσαν τα αποτελέσματά τους στο Bulletin of the Seismological Society of America.

Η κατανόηση του τύπου κύματος που βουίζει στο έδαφος επιτρέπει στους ερευνητές να απεικονίσουν την υπόγεια δομή. 

Τα κύματα κεραυνού συμπεριφέρονται σαν κανονικά σεισμικά κύματα—αναπηδούν όταν φτάνουν σε ένα όριο, όπως ένα μεταξύ βράχου και κενού χώρου σε μια καταβόθρα ή υπόγειο ή στην κορυφή του υδροφόρου ορίζοντα. Οι επιστήμονες μπορούν να χαρτογραφήσουν πού συμβαίνουν αυτές οι αναπηδήσεις κάτω από την επιφάνεια για να προσδιορίσουν πού βρίσκονται τα όρια.

Η αφθονία και η κάλυψη των καλωδίων οπτικών ινών σε ένα αστικό περιβάλλον σημαίνει ότι υπάρχουν πολλές ευκαιρίες για χρήση του DAS για την αποκάλυψη υπόγειων χαρακτηριστικών, αυτό που ο Roth αποκαλεί «αστική σεισμολογία».

Η μελέτη είναι «ένα καλό παράδειγμα του πώς αυτή η νέα τεχνική ανίχνευσης (DAS) μπορεί να προσφέρει νέες γνώσεις για τη φυσική των σεισμικών φαινομένων και ακόμη και την αλληλεπίδραση μεταξύ των ατμοσφαιρικών διεργασιών και του υπόγειου».

Με το DAS, ένα καλώδιο μπορεί να λειτουργήσει όπως δεκάδες χιλιάδες σεισμικοί αισθητήρες, μια συστοιχία που δεν ταιριάζει με τα συμβατικά σεισόμετρα, είπε η Verónica Rodriguez Tribaldos, γεωφυσικός στο Γερμανικό Ερευνητικό Κέντρο στο Πότσνταμ που δεν συμμετείχε στη μελέτη.

Προς το παρόν, τα δεδομένα DAS από τα κύματα κεραυνών μπορούν να βοηθήσουν τους ερευνητές να δουν περίπου 10 μέτρα βάθος, ανάλογα με τις υπόγειες συνθήκες, είπε ο Roth. Η ομάδα είχε επιτυχία χαρτογραφώντας μερικές εκατοντάδες μέτρα πλευρικά από τα καλώδια, πρόσθεσε, αλλά γίνεται περισσότερη δουλειά για να κατανοήσουμε πώς να επιτύχουμε την καλύτερη ανάλυση.

Η μελέτη είναι «ένα καλό παράδειγμα για το πώς αυτή η νέα τεχνική ανίχνευσης (DAS) μπορεί να προσφέρει νέες γνώσεις για τη φυσική των σεισμικών φαινομένων και ακόμη και την αλληλεπίδραση μεταξύ των ατμοσφαιρικών διεργασιών και του υπόγειου», σημείωσε ο Rodriguez Tribaldos.

"Ένα μεγάλο πλεονέκτημα της κατοχής αυτού του καλωδίου οπτικών ινών είναι ότι μπορούμε να το χρησιμοποιήσουμε για να κάνουμε αστική σεισμολογία και να ανιχνεύσουμε τις καταβόθρες που θα μπορούσαν πραγματικά να προκαλέσουν κάποια ζημιά σε δρόμους και πεζοδρόμια", είπε ο Roth.

Ο Rodriguez Tribaldos συμφώνησε και πρόσθεσε ότι θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί για συνεχή παρακολούθηση διεργασιών που θα μπορούσαν να προκαλέσουν αλλαγές στις σεισμικές ταχύτητες σε μια περιοχή, όπως οι διακυμάνσεις των υπόγειων υδάτων.

Γεωδίφης με πληροφορίες από το  Eos  

Derouin, S. (2023), Thunderquakes map the subsurface, Eos, 104, https://doi.org/10.1029/2023EO230461.