Undele sonore ale cutremurelor subacvatice dezvăluie schimbări în încălzirea oceanelor

Undele sonore care călătoresc mii de kilometri prin ocean ar putea ajuta oamenii de știință să monitorizeze schimbările climatice.

Pe măsură ce emisiile de gaze cu efect de seră încălzesc planeta, oceanul absoarbe cantități mari din această căldură. Pentru a monitoriza schimbarea, o flotă globală de aproximativ 4.000 de dispozitive numite Argo floats colectează date de temperatură din cei 2.000 de metri de sus ai oceanului. Dar această colectare de date este limitată în unele regiuni, inclusiv zonele mai adânci ale oceanului și zonele sub gheață.

Așa că Wenbo Wu, seismolog la Caltech, și colegii reapar la o idee veche de zeci de ani: utilizarea vitezei sunetului în apa de mare pentru a estima temperatura oceanului. Într-un nou studiu, echipa lui Wu a dezvoltat și testat o modalitate de a folosi undele sonore generate de cutremur care traversează Oceanul Indian de Est pentru a estima schimbările de temperatură în acele ape din 2005 până în 2016.

Compararea acestor date cu informații similare de la flotoarele Argo și modelele computerizate a arătat că noile rezultate se potriveau bine. Această constatare sugerează că tehnica, numită termometrie seismică oceanică, este promițătoare pentru urmărirea impactului schimbărilor climatice asupra regiunilor oceanice mai puțin studiate, raportează cercetătorii în 18 septembrie. Ştiinţă.

Undele sonore sunt transportate prin apă prin vibrația moleculelor de apă, iar la temperaturi mai ridicate, acele molecule vibrează mai ușor. Drept urmare, valurile călătoresc puțin mai repede când apa este mai caldă. Dar aceste schimbări sunt atât de mici încât, pentru a fi măsurabile, cercetătorii trebuie să urmărească valurile pe distanțe foarte mari.

Din fericire, undele sonore pot parcurge distanțe mari prin ocean, datorită unui fenomen curios cunoscut sub numele de Canalul SOFAR, prescurtare de la Sound Fixing and Ranging. Format din diferite straturi de salinitate și temperatură în apă, canalul SOFAR este un strat orizontal care acționează ca un ghid de unde, ghidând undele sonore în același mod în care fibrele optice ghidează undele luminoase, spune Wu. Valurile sar înainte și înapoi împotriva limitelor superioare și inferioare ale canalului, dar își pot continua drumul, practic nealterate, timp de zeci de mii de kilometri (SN: 7/16/60).

În 1979, oceanografii fizici Walter Munk, pe atunci de la Instituția Scripps de Oceanografie din La Jolla, California, și Carl Wunsch, acum profesor emerit la MIT și la Universitatea Harvard, au venit cu un plan de utilizare a acestor proprietăți oceanice pentru a măsura apa. temperaturile de la suprafață până la fundul mării, o tehnică pe care au numit-o „tomografie acustică oceanică”. Aceștia ar transmite semnale sonore prin canalul SOFAR și ar măsura timpul în care undele ajungeau la receptoarele situate la 10.000 de kilometri distanță. În acest fel, cercetătorii au sperat să întocmească o bază de date globală a temperaturilor oceanelor (SN: 26.1.1991).

Dar grupurile ecologiste au făcut lobby împotriva experimentului și au oprit în cele din urmă experimentul, declarând că semnalele produse de om ar putea avea efecte adverse asupra mamiferelor marine, după cum notează Wunsch într-un comentariu din același număr al Ştiinţă.

Patruzeci de ani mai târziu, oamenii de știință au stabilit că oceanul este de fapt un loc foarte zgomotos și că semnalele propuse de om ar fi fost slabe în comparație cu bubuitul cutremurelor, eructatele vulcanilor submarini și gemetele aisbergurilor care se ciocnesc, spune. seismologul Emile Okal de la Universitatea Northwestern din Evanston, Illinois, care nu a fost implicat în noul studiu.

Totuși, Wu și colegii săi au conceput o soluție care ocolește orice problemă de mediu: în loc să folosească semnale create de om, ei folosesc cutremure. Când un cutremur subacvatic bubuie, eliberează energie sub formă de unde seismice cunoscute sub numele de unde P și unde S care vibrează prin fundul mării. O parte din acea energie intră în apă, iar când o face, undele seismice încetinesc, devenind unde T.

Aceste unde T pot călători și de-a lungul canalului SOFAR. Așadar, pentru a urmări modificările temperaturii oceanului, Wu și colegii au identificat „repetători” – cutremure pe care echipa a stabilit că provin din aceeași locație, dar care au loc în momente diferite. Oceanul Indian de Est, spune Wu, a fost ales pentru acest studiu de dovadă a conceptului, în mare parte pentru că este foarte activ din punct de vedere seismic, oferind o abundență de astfel de cutremure. După ce a identificat peste 2.000 de repetitori din 2005 până în 2016, echipa a măsurat apoi diferențele de timp de călătorie a undelor sonore în Oceanul Indian de Est, pe o lungime de aproximativ 3.000 de kilometri.

Datele au relevat o ușoară tendință de încălzire a apelor, de aproximativ 0,044 grade Celsius pe deceniu. Această tendință este similară, deși puțin mai rapidă decât cea indicată de temperaturile în timp real colectate de plutitoarele Argo. Wu spune că echipa intenționează să testeze tehnica cu receptoare care sunt mai îndepărtate, inclusiv în largul coastei de vest a Australiei.

Această distanță suplimentară va fi importantă pentru a demonstra că noua metodă funcționează, spune Okal. „Este un studiu fascinant”, spune el, dar distanțele implicate sunt foarte scurte în ceea ce privește undele T, iar schimbările de temperatură estimate sunt foarte mici. Aceasta înseamnă că orice incertitudine în potrivirea originilor precise a două cutremure repetate s-ar putea traduce prin incertitudine în timpul de călătorie și, astfel, temperatura se modifică. Dar studiile viitoare pe distanțe mai mari ar putea ajuta la atenuarea acestei preocupări, spune el.

Noul studiu „schimbă cu adevărat noi terenuri”, spune Frederik Simons, geofizician la Universitatea Princeton, care nu a fost implicat în cercetare. „Au găsit într-adevăr o modalitate bună de a descoperi schimbări temporale foarte subtile și lente. Este foarte priceput din punct de vedere tehnic.”

Și, adaugă Simons, în multe locații înregistrările seismice sunt cu zeci de ani mai vechi decât înregistrările de temperatură colectate de plutitoarele Argo. Asta înseamnă că oamenii de știință ar putea folosi termometria oceanică seismică pentru a veni cu noi estimări ale temperaturilor oceanelor din trecut. „Vânătoarea va avea loc pentru înregistrări de arhivă de înaltă calitate.”