Le origini sottomarine delle misteriose onde d'amore

Le simulazioni di supercomputer delle interazioni su scala planetaria mostrano come le tempeste oceaniche e la struttura degli strati superiori della Terra generino insieme gran parte delle onde sismiche del mondo. Decodificare le deboli ma onnipresenti vibrazioni note come onde dell'amore potrebbe fornire informazioni sulla storia delle tempeste terrestri, sul cambiamento del clima e dell'interno.

Le vibrazioni viaggiano attraverso il nostro pianeta in onde, come gli accordi che risuonano da una chitarra strimpellata. I terremoti, i vulcani e il trambusto dell'attività umana eccitano alcune di queste onde sismiche. Molti altri riverberano dalle tempeste oceaniche spinte dal vento.

Mentre le tempeste agitano i mari del mondo, le onde sferzate dal vento in superficie interagiscono in un modo unico che produce colpi di pressione simili a pistoni sul fondo del mare, generando un flusso di deboli tremori che ondeggiano attraverso la Terra in ogni angolo del globo.

«C'è un'impronta di quei tre sistemi terrestri in questi dati sismici ambientali: atmosfera, strati esterni rocciosi della Terra e oceano», ha detto la geofisica della Stanford University Lucia Gualtieri, (1) autrice principale di un articolo pubblicato su Proceedings of the National Academy of Sciences (2) che aiuta a risolvere un enigma vecchio di decenni sulla fisica delle onde sismiche legate alle tempeste oceaniche.

Conosciute come microsismi secondari, le piccole onde sismiche eccitate dai rumorosi oceani sono così onnipresenti e caotiche che i sismologi hanno a lungo messo da parte i dati. «Quando si registrano queste onde, la registrazione sismica sembra un rumore casuale perché ci sono così tante sorgenti, una vicina all'altra attraverso l'area estesa di una tempesta. Agiscono tutte allo stesso tempo e i campi d'onda risultanti interferiscono tra loro», ha detto la dottoressa Gualtieri.

Eppure, negli ultimi 15 anni, i ricercatori hanno trovato un modo per estrarre il significato da questi dati rumorosi. Analizzando la velocità con cui le coppie di onde viaggiano da una stazione sismica all'altra, hanno iniziato a raccogliere informazioni sui materiali attraverso cui si muovono. «Usiamo le onde sismiche come i raggi X nell'imaging medico per la scansione della Terra», ha detto la dottoressa Lucia Gualtieri, assistente professore di geofisica presso la Stanford's School of Earth, Energy & Environmental Sciences (Stanford Earth). (3)

L'amore ondeggia dal fondo dell'oceano

A differenza di una singola onda oceanica che rotola sulla superficie, che muore prima di raggiungere il mare profondo, le interazioni caotiche delle onde che viaggiano in direzioni opposte durante una tempesta possono creare un movimento oscillante su e giù sulla superficie che pulsa per tutto il percorso alla solida Terra sottostante. Le vibrazioni note come onde di Rayleigh viaggiano quindi verso l'esterno dall'impulso, spostando il terreno su e giù mentre vanno.

Per decenni, gli scienziati hanno compreso la componente verticale dei microsismi delle tempeste oceaniche, dove dominano le onde di Rayleigh. Ma c'è un'altra serie di vibrazioni registrate durante le tempeste oceaniche che sono inspiegabili nelle teorie accettate su come i mari in tempesta generano movimenti nella Terra solida. Queste vibrazioni, chiamate Love Waves in onore del loro scopritore del XX secolo, spingono le particelle di roccia sotterranea da una parte all'altra, perpendicolarmente al loro percorso in avanti, come un serpente strisciante. «Queste onde non dovrebbero esserci affatto», ha detto la Gualtieri. «Non sapevamo da dove provenissero».

Gli scienziati hanno presentato due spiegazioni plausibili. Un'idea è che quando la forza verticale che pompa verso il basso dalle onde dell'oceano in collisione incontra un pendio sul fondo del mare, si divide e forma i due diversi tipi di onde di superficie: Rayleigh e Love. «In quel caso, la sorgente delle onde dell'amore sarebbe molto vicina alla sorgente delle onde di Rayleigh, se non nella stessa posizione», spiega la ricercatrice.

Ma la ricerca della dottoressa Gualtieri, coautrice con i geoscienziati dell'Università di Princeton, rileva che i pendii e le pendenze del fondo marino non sono abbastanza ripidi da generare la forte forza orizzontale necessaria per produrre le onde dell'Amore rilevate dai registratori sismici. I loro risultati supportano una teoria alternativa, in cui le onde dell'amore hanno origine all'interno della Terra stessa. Si scopre che quando i mari battuti dal vento riducono la pressione fino al fondo del mare, la struttura a mosaico della solida Terra sottostante risponde con un fremito tutto suo.

«Comprendiamo come i terremoti creano le onde dell'Amore, ma non abbiamo mai capito esattamente come le creano le onde dell'oceano», ha detto l'esperto di rumore sismico ambientale, il dottor Keith Koper, (4) professore di geologia e geofisica e direttore delle stazioni sismografiche presso l'Università dello Utah, che non è stato coinvolto nello studio. «Questo è un po' imbarazzante perché le onde dell'Amore generate dall'oceano sono state osservate per oltre 50 anni». Il documento guidato dalla dottoressa Lucia Gualtieri, conferma, «fornisce prove conclusive» di come le onde dell'oceano generano questo particolare tipo di vibrazione sulla Terra.

Simulazione della Terra

Utilizzando il supercomputer Summit (5) dell'Oak Ridge National Laboratory, i ricercatori hanno simulato le complesse interazioni che si verificano tra tempeste, onde oceaniche e la Terra solida per periodi di tre ore. Precisa fino a quattro secondi, ogni simulazione includeva 230.400 fonti di pressione sparse in tutto il globo. «Stiamo usando il computer come un laboratorio, per consentire alle onde sismiche di propagarsi da fonti realistiche in tutti gli oceani del mondo in base alla fisica nota su come e dove le onde sismiche sono generate dalle tempeste oceaniche, nonché su come si muovono attraverso la Terra», Ha detto la dottoressa Gualtieri.

Una versione del modello Terra rappresentava il pianeta come un mondo stratificato semplicistico, in cui le proprietà variano solo con la profondità, come una torta a strati. L'altro modello, più realistico, ha catturato più della variazione tridimensionale nel suo terreno sotterraneo, come un biscotto con gocce di cioccolato. Per ogni versione, i ricercatori hanno attivato e disattivato i dati di profondità subacquea per testare se le caratteristiche del fondo marino come canyon, burroni e montagne - al contrario della struttura più profonda - potrebbero produrre onde d'amore.

I risultati mostrano che le onde d'amore sono scarsamente generate nella Terra unidimensionale simile a una torta a strati. Considerati circa 30 minuti e un oceano rimbombante, tuttavia, le onde dell'Amore emanavano da sotto il fondo del mare nel modello tridimensionale. Quando le onde di Rayleigh e altre onde sismiche generate dalle tempeste oceaniche incontrano zone più calde o più fredde e materiali diversi nel loro viaggio laterale attraverso la Terra, lo studio suggerisce che la loro energia si disperde e si rifocalizza. Nel processo, una parte del campo d'onda si converte in onde d'amore. «Se applichi quelle fonti di pressione dalle onde oceaniche che interferiscono e aspetti, la Terra ti darà l'intero campo d'onda», ha detto la dottoressa Gualtieri. «È la Terra stessa che genererà le onde d'Amore».

Secondo Lucia Gualtieri, una migliore comprensione di come queste vibrazioni sorgono e si propagano attraverso la Terra potrebbe aiutare a colmare le lacune nella conoscenza non solo dell'interno del nostro pianeta ma anche del suo cambiamento climatico. Le registrazioni sismiche analogiche risalgono a prima dell'era satellitare e i dati digitali di alta qualità sono stati registrati per diversi decenni.

«Questo database contiene informazioni sui processi ambientali ed è praticamente inutilizzato», ha concluso la scienziata.

I coautori di questo studio sono: Etienne Bachmann, Frederik J. Simons e Jeroen Tromp che sono tutti affiliati alla Princeton University.

Le risorse computazionali sono state fornite dalla Oak Ridge Leadership Computing Facility del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e dal Princeton Institute for Computational Science & Engineering (PICSciE).

Riferimenti:

(1) Lucia Gualtieri

(2) The origin of secondary microseism Love waves

(3) Stanford's School of Earth, Energy & Environmental Sciences

(4) Keith Koper

(5) supercomputer Summit

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Stanford study identifies the undersea origins of mysterious Love waves, decoding some of Earth’s continuous vibrations