Како грмљавина може да „сними“ подземље: Научници мапирали тло до 100 метара дубине

Када гром удари, ваздух у његовој непосредној околини се нагло загрева и настаје ударни талас који чујемо као грмљавину. Међутим, енергија грмљавине не путује само кроз атмосферу до наших ушију. Када та енергија стигне до тла, њен део се претвара у сеизмичке таласе који се шире кроз земљиште и стене испод површине. Вибрације које настају на тај начин називају се "thunderquakes".

Научници до сада нису довољно добро разумели ове сигнале да би могли практично да их користе. Нова студија, међутим, показује да би ти сигнали могли да се употребе за мапирање структуре подземља, укључујући кретање подземних вода, загађење животне средине и вртаче, као и за процену терена на којем се планира изградња објеката и темеља.

Истраживачи су до овог открића дошли слушајући грмљавину помоћу инструмента који се налази у заједницама широм света, али се обично не користи за сеизмичка мерења – оптичког кабла.

Како оптички кабл постаје сензор за вибрације

Научници су применили технику познату као дистрибуирано акустичко мерење, којом су обичан оптички кабл, какав се користи за интернет и телефонске услуге, претворили у низ од хиљада сензора вибрација.

Компјутер који помоћу ласерских импулса испитује кабл шаље светлост кроз њега и мери ситне промене које настају услед вибрација дуж његове трасе.

У оквиру експеримента, који је био део пројекта FORESEE Универзитета Пенсилваније, коришћен је кабл дужи од четири километра. На тај начин добијено је више од 2.100 сензора, међусобно удаљених свега неколико стопа, који су истовремено бележили вибрације тла.

Током више од две године истраживачи су помоћу старог телекомуникационог оптичког кабла забележили и идентификовали 458 јасних и квалитетних "thunderquakes".

Велика количина детаља добијених на овај начин омогућила је научницима да уоче нешто што је раније било тешко посматрати – специфичне врсте сеизмичких таласа који настају када звук из атмосфере ступи у интеракцију са тлом.

Међу најважнијим су такозвани ваздушно спрегнути Рејлијеви таласи. Они се могу мерити на површини, али истовремено омогућавају проучавање подземља на знатно већим дубинама, чак до око 100 метара.

Како грмљавина „снима“ оно што се налази испод земље

Кључ за ову технику је појава позната као сеизмичка дисперзија. Таласи различитих фреквенција крећу се на различитим дубинама.

Мерењем промена брзине таласа у зависности од њихове фреквенције, научници су могли да реконструишу брзину кретања сеизмичких таласа на различитим дубинама. На основу тога могу да се тумаче својства материјала који се налази испод оптичког кабла.

Резултат је, како наводе истраживачи, био еквивалент рендгенском снимку подземља до дубине од приближно 100 метара, без потребе да се избуши иједна рупа.

За снимање подземља обично је потребна специјализована опрема, попут камиона са изворима вибрација или низова сензора који се постављају за потребе истраживања. Такви приступи могу бити скупи и тешки за примену на великим површинама.

Грмљавинске олује, с друге стране, представљају природни извор сеизмичке енергије који је већ распоређен по пејзажу. Истовремено, оптички каблови су закопани испод градова и насеља широм света.

Уместо да се сеизмички извор доводи до тла, научници би тако могли да прате олује које пролазе изнад њега. То би у будућности могло да омогући континуирано праћење плитког подземља, коришћењем инфраструктуре која се већ налази у земљи и сеизмичке енергије која већ долази из атмосфере.

Шта су открили у Пенсилванији

Истраживање је спроведено у Стејт колеџу у Пенсилванији, где се подземље углавном састоји од кречњака и доломита. Те стене могу постепено да се растварају под утицајем кретања подземних вода.

Временом тај процес може довести до стварања пукотина, пећина и вртача.

Истраживање "thunderquakes" открило је четири различите области у којима су сеизмички таласи путовали знатно спорије него кроз околне стене. Ове такозване „слабе зоне“ могле би да буду последица испуцалих или измењених стена, као и присуства воде или ваздуха.

Две од четири зоне поклапају се са областима у којима сателитски радар показује да се тло активно слеже. Дубине све четири зоне одговарају пукотинама и шупљинама које су већ забележене на оближњим локацијама.

Ови резултати су значајни јер су крашки предели, попут подручја испод Стејт колеџа, широко распрострањени. Они заузимају приближно 20 одсто светске континенталне копнене површине и утичу на готово четвртину светског становништва.

Вртаче, загађење подземних вода и друге опасности повезане са оваквим пределима могу угрозити зграде, инфраструктуру и безбедност људи. Познавање локација на којима постоје такви ризици може да помогне у бољем планирању и изградњи.

Није само грмљавина извор оваквих сигнала

Резултати студије показују основни процес у којем звучни таласи из атмосфере могу да се претворе у корисне сеизмичке таласе у чврстој Земљи. Грмљавина је, међутим, само један пример.

Сличне атмосферске ударне таласе могу да произведу и звучни удари, вулканске ерупције и експлозије метеора у атмосфери, па би и они потенцијално могли да представљају природне изворе сеизмичких таласа. Ова идеја могла би да има примену и ван Земље.

На неким другим планетама и месецима не очекују се тектонски земљотреси слични онима на Земљи, али атмосферски поремећаји ипак могу постојати.

Једна од занимљивих могућности је Титан, највећи Сатурнов месец и одредиште предстојеће НАСА мисије "Dragonfly“. Уколико се на Титану јављају муње и грмљавина, као што предвиђају модели, енергија из атмосфере би потенцијално могла да пружи још један начин за проучавање његовог подземља.

На Земљи, атмосфера непрестано ступа у интеракцију са тлом испод наших ногу. Резултати истраживања указују да би та интеракција могла да буде извор информација о скривеном свету који се налази испод површине.