Πώς οι καταιγίδες βοηθούν τους επιστήμονες να «δουν» κάτω από την επιφάνεια της Γης – ertnews.gr

Όταν πέφτει ένας κεραυνός, υπερθερμαίνει τον αέρα γύρω του και δημιουργεί ένα ωστικό κύμα, το οποίο αντιλαμβανόμαστε ως βροντή. Ωστόσο, η βροντή δεν διαδίδεται απλώς μέσω της ατμόσφαιρας μέχρι τα αυτιά μας. Όταν αυτή η ενέργεια φτάνει στο έδαφος, ένα μέρος της μετατρέπεται σε σεισμικά κύματα, τα οποία διαδίδονται στο έδαφος και στα πετρώματα. Οι δονήσεις που προκύπτουν είναι γνωστές ως «thunderquakes» (βροντο-σεισμοί).

Μέχρι σήμερα, οι επιστήμονες δεν είχαν κατανοήσει επαρκώς αυτά τα σήματα ώστε να μπορούν να τα αξιοποιήσουν πρακτικά. Τώρα, νέα έρευνα δείχνει ότι οι «βροντο-σεισμοί» μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη χαρτογράφηση της δομής του υπεδάφους, για παράδειγμα για την παρακολούθηση της κίνησης των υπόγειων υδάτων, τον εντοπισμό περιβαλλοντικής ρύπανσης ή καταβοθρών– με τρόπο παρόμοιο με τον οποίο οι ακτίνες Χ απεικονίζουν το εσωτερικό του ανθρώπινου σώματος.

Οι ερευνητές της μελέτης- Νόλαν Ροθ, ερευνητής στο Τμήμα Θαλάσσιας Γεωλογίας και τους Γεωκινδύνους στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο του Οχάιο και ο Τιγουάν Ζου, Αναπληρωτής Καθηγητής Γεωφυσικής στο Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια- χρησιμοποίησαν ένα εργαλείο που υπάρχει σε κοινότητες σε όλο τον κόσμο: το καλώδιο οπτικών ινών.

Μετατρέποντας οπτικές ίνες σε αισθητήρες δόνησης

Χρησιμοποιώντας μια τεχνική που ονομάζεται κατανεμημένη ακουστική ανίχνευση (Distributed Acoustic Sensing – DAS), η ερευνητική ομάδα μετέτρεψε ένα συμβατικό καλώδιο οπτικών ινών, από αυτά που χρησιμοποιούνται για υπηρεσίες διαδικτύου ή τηλεφωνίας, σε μια «αλυσίδα» χιλιάδων αισθητήρων δόνησης.

Ένας υπολογιστής που στέλνει παλμούς λέιζερ, γνωστός ως interrogator, διοχετεύει φως μέσα από το καλώδιο και καταγράφει τις απειροελάχιστες μεταβολές που προκαλούνται από τις δονήσεις σε όλο το μήκος του. Στο πείραμά τους, που πραγματοποιήθηκε στο πλαίσιο του προγράμματος Penn State FORESEE, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ένα καλώδιο μήκους άνω των 4 χιλιομέτρων. Αυτό τους έδωσε περισσότερους από 2.100 αισθητήρες, τοποθετημένους σε απόσταση μόλις λίγων μέτρων μεταξύ τους, οι οποίοι μπορούσαν να «ακούν» ταυτόχρονα τις δονήσεις του εδάφους.

Για περισσότερα από δύο χρόνια, οι ερευνητές αξιοποίησαν μια παλιά τηλεπικοινωνιακή οπτική ίνα, μέσω της οποίας κατέγραψαν και εντόπισαν 458 σαφείς και υψηλής ποιότητας σεισμικές δονήσεις που προκλήθηκαν από βροντές. Ο τεράστιος όγκος λεπτομερειών που καταγράφηκε με αυτή τη διαδικασία, τους επέτρεψε να παρατηρήσουν κάτι που μέχρι σήμερα ήταν δύσκολο να μελετηθεί: συγκεκριμένους τύπους σεισμικών κυμάτων που δημιουργούνται όταν ο ήχος από την ατμόσφαιρα αλληλεπιδρά με το έδαφος.

Πώς ένας «σεισμός από βροντή» κάνει ακτινογραφία στο υπέδαφος

Το κλειδί της μεθόδου είναι ένα φαινόμενο που ονομάζεται σεισμική διασπορά, σύμφωνα με το οποίο κύματα διαφορετικών συχνοτήτων διαδίδονται σε διαφορετικά βάθη. Μετρώντας πώς μεταβαλλόταν η ταχύτητα των κυμάτων που προκαλούνταν από τις βροντές ανάλογα με τη συχνότητά τους, οι ερευνητές μπόρεσαν να αναπαράγουν την ταχύτητα των σεισμικών κυμάτων σε διαφορετικά βάθη. Αυτό τους επέτρεψε να ερμηνεύσουν τις ιδιότητες του υπεδάφους κάτω από την οπτική ίνα.

Το αποτέλεσμα ήταν ουσιαστικά μια «ακτινογραφία» του υπεδάφους σε βάθος περίπου 100 μέτρων. Η απεικόνιση του υπεδάφους απαιτεί συνήθως εξειδικευμένο εξοπλισμό, όπως φορτηγά με συστήματα παραγωγής δονήσεων ή συστοιχίες αισθητήρων που πρέπει να εγκατασταθούν ειδικά για τις έρευνες. Οι μέθοδοι αυτές μπορεί να είναι δαπανηρές και δύσκολες στην εφαρμογή σε μεγάλες εκτάσεις.

Οι καταιγίδες, αντίθετα, προσφέρουν μια φυσική πηγή σεισμικής ενέργειας, η οποία είναι ήδη κατανεμημένη σε ολόκληρο το τοπίο. Παράλληλα, καλώδια οπτικών ινών είναι θαμμένα κάτω από πόλεις και οικισμούς σε όλο τον κόσμο. Μελλοντικά, αυτό θα μπορούσε να επιτρέψει τη συνεχή παρακολούθηση του ρηχού υπεδάφους, αξιοποιώντας υποδομές που βρίσκονται κάτω από το έδαφος και σεισμική ενέργεια που προέρχεται από τις βροντές.

Τι εντόπισαν οι ερευνητές στο σημείο των δοκιμών

Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν στο Πανεπιστήμιο της Πενσιλβάνια, σε μια περιοχή όπου το υπέδαφος αποτελείται κυρίως από ασβεστόλιθο και δολομίτη, πετρώματα που υφίστανται σταδιακή διάβρωση από τη διέλευση των υπόγειων υδάτων. Με την πάροδο του χρόνου, η διαδικασία αυτή δημιουργεί ρωγμές, σπήλαια και καταβόθρες.

Η μελέτη των σεισμικών δονήσεων από τις βροντές αποκάλυψε τέσσερις διακριτές περιοχές, όπου τα σεισμικά κύματα διαδίδονταν πολύ πιο αργά από ό,τι μέσα στο περιβάλλον βράχο. Αυτές οι «αδύναμες ζώνες» θα μπορούσαν να οφείλονται σε ρηγματωμένα ή διαβρωμένα πετρώματα ή στην παρουσία νερού ή αέρα. Δύο από αυτές συμπίπτουν με περιοχές όπου δορυφορικά ραντάρ δείχνουν ότι το έδαφος υποχωρεί ενεργά. Τα βάθη και των τεσσάρων περιοχών συνάδουν με την παρουσία ρωγμών και κενών που έχουν καταγραφεί σε κοντινές τοποθεσίες.

Αυτά τα αποτελέσματα είναι σημαντικά, καθώς τα καρστικά τοπία, όπως αυτό που βρίσκεται κάτω από το Πανεπιστήμιο της Πενσιλβάνια, είναι ευρέως διαδεδομένα. Καλύπτουν περίπου το 20% της χερσαίας επιφάνειας των ηπείρων και επηρεάζουν σχεδόν το ένα τέταρτο του παγκόσμιου πληθυσμού.

Οι καταβόθρες, η μόλυνση των υπόγειων υδάτων και άλλοι κίνδυνοι που συνδέονται με αυτά τα τοπία μπορούν να απειλήσουν κτίρια, υποδομές και τη δημόσια ασφάλεια. Η γνώση των περιοχών όπου εντοπίζονται τέτοιοι κίνδυνοι μπορεί να συμβάλει σε καλύτερο σχεδιασμό και ασφαλέστερες κατασκευές, επισημαίνουν οι ερευνητές.

Πηγή: The Conversation