Grom Kao „rendgen“ Zemlje — Kako optički kablovi i thunderquake otkrivaju podzemlje do ~100 m

Kada munja udari, vazduh oko vreli i stvara udarni talas koji čujemo kao grmljavinu. Kada taj talas stigne do tla, deo energije se pretvara u seizmičke talase koji prolaze kroz zemlju — te vibracije istraživači nazivaju „thunderquake“ (gromotres).

Kako to funkcioniše

Naš tim je poslušao grom koristeći infrastrukturu koja već postoji u gradovima: optičke kablove za telekomunikacije. Tehnika poznata kao distributed acoustic sensing (DAS) pretvara dugi optički kabl u niz od hiljada senzora za vibracije. „Interrogator“ — laserski pulsni uređaj — šalje svetlost kroz vlakno i meri sitne promene izazvane vibracijama duž kabla.

Detalji eksperimenta

U sklopu projekta Penn State FORESEE koristili smo stari telekom kabel dugačak više od 4 km (preko 2 milje) koji je davao više od 2.100 senzorskih tačaka raspoređenih na nekoliko metara. Tokom dve godine identifikovali smo 458 jasnih, visokokvalitetnih thunderquake događaja.

Breaking down the many parts of the thunderquake measurements helps show where the most useful surface waves can be observed.Nolan Roth

Šta smo otkrili

Velika gustina senzora i broj događaja omogućili su detekciju specifičnih površinskih talasa koji nastaju interakcijom atmosferskog udara sa tlom — pre svega air-coupled Rayleigh talasa. Ovi talasi su merljivi na površini, ali pritom nose informaciju o svojstvima tla i skažu o dubinama do ~100 m.

Ključ je u seizmičkoj disperziji: talasi različitih frekvencija osećaju različite dubine. Merenjem promena brzine talasa sa frekvencijom mogli smo rekonstruisati profile brzine talasa po dubinama i napraviti svojevrsni „rendgenski“ snimak podzemlja do oko 100 m bez bušenja.

Primer iz prakse i primene

Studija izvedena u State Collegeu (Pensilvanija) — području s prevladavajućim krečnjakom i dolomitom — otkrila je četiri zone u kojima seizmički talasi znatno usporavaju. Takve zone obično ukazuju na raslojeno, slabo ili vodeno tlo, pukotine ili šupljine; dve od četiri zone poklapale su se sa satelitskim zapažanjima spuštanja tla. Ovo je važno za karstne terene: takvi pejzaži pokrivaju ~20% kontinentalne kopnene površine i utiču na značajan deo svetske populacije.

Seismic waves move slowly (blues and greens) through loose, fractured or watery rock or dirt. They move quickly (yellows and reds) through dense, strong rock. WZ marks unusually deep weak zones that may pose future sinkhole hazards.Nolan Roth

Prednosti metode

Glavne prednosti pristupa su to što koristi:

• postojeću infrastrukturu (zakopane fiber-optic kablove),
• prirodne seizmičke izvore (oluje),
• jeftiniju i kontinuiranu detekciju u odnosu na tradicionalne metode koje zahtevaju vozila sa izvorima vibracija ili postavljanje mreža senzora.

Širi kontekst i buduće mogućnosti

Thunderquake nije jedini atmosferski izvor seizmičke energije: sonični prasci, vulkanske erupcije i meteorni razleti takođe stvaraju atmosferske udarne talase koji se mogu pretvoriti u korisne seizmičke signale. Ideja čak dobija na značaju i van Zemlje — na primer, Titan, Saturnov mesec, mogao bi imati atmosferske pojave koje bi se eventualno koristile za ispitivanje njegovog podzemlja.

Zaključak

Naš rad pokazuje da atmosfera i tlo međusobno razmenjuju energiju na način koji može da postane praktičan izvor informacija o podzemnim strukturama. DAS nad postojećim optičkim kablovima i analiza thunderquake događaja mogu omogućiti pristupačno, široko i kontinuirano mapiranje plitkog podzemlja — korisno za urbanizam, monitoring opasnosti od urušavanja i zaštitu vodnih resursa.

Tekst je zasnovan na radu istraživača Nolana Rotha i Tieyuana Zhua i originalno je objavljen na The Conversation.