Les vibrations parcourent notre planète par vagues, comme des accords qui résonnent d'une guitare grattée. Tremblements de terre, les volcans et l'agitation de l'activité humaine excitent certaines de ces ondes sismiques. Beaucoup d'autres se répercutent sur les tempêtes océaniques provoquées par le vent.

Alors que les tempêtes secouent les mers du monde, les vagues fouettées par le vent à la surface interagissent d'une manière unique qui produit des coups de pression semblables à des pistons sur le fond marin, générant un flux de faibles tremblements qui ondulent à travers la Terre jusqu'aux quatre coins du globe.

"Il y a une empreinte de ces trois systèmes terrestres dans ces données sismiques ambiantes :atmosphère, Les couches extérieures rocheuses et l'océan de la Terre, " a déclaré Lucia Gualtieri, géophysicienne de l'Université de Stanford, auteur principal d'un article en Actes de l'Académie nationale des sciences qui aide à résoudre une énigme vieille de plusieurs décennies sur la physique des ondes sismiques liées aux tempêtes océaniques.

Connus sous le nom de microséismes secondaires, les petites ondes sismiques excitées par le grondement des océans sont si omniprésentes et chaotiques que les sismologues ont longtemps mis les données de côté. "Quand vous enregistrez ces ondes, l'enregistrement sismique ressemble à du bruit aléatoire car il y a tellement de sources, l'un près de l'autre à travers la zone étendue d'une tempête. Ils agissent tous en même temps, et les champs d'ondes résultants interfèrent les uns avec les autres, " a déclaré Gualtieri. "Vous voulez simplement le jeter."

Pourtant, au cours des 15 dernières années, les chercheurs ont trouvé un moyen d'extraire le sens de ces données bruyantes. En analysant la vitesse à laquelle des paires d'ondes se déplacent d'une station sismique à une autre, ils ont commencé à glaner des informations sur les matériaux qu'ils traversent. "Nous utilisons des ondes sismiques comme les rayons X en imagerie médicale pour scanner la Terre, " dit Gualtieri, qui est professeur adjoint de géophysique à la Stanford's School of Earth, Sciences de l'énergie et de l'environnement (Stanford Earth).

Aimer les vagues du fond de l'océan

Contrairement à une seule vague océanique roulant à la surface, qui s'éteint avant d'atteindre la mer profonde, les interactions chaotiques des vagues se déplaçant dans des directions opposées pendant une tempête peuvent créer un mouvement de va-et-vient à la surface qui pulse jusqu'à la Terre solide en dessous. Les vibrations connues sous le nom d'ondes de Rayleigh se déplacent ensuite vers l'extérieur à partir de l'impulsion, déplacer le sol de haut en bas au fur et à mesure qu'ils avancent.

Depuis des décennies, les scientifiques ont compris la composante verticale des microséismes des tempêtes océaniques, où dominent les ondes de Rayleigh. Mais il existe un autre ensemble de vibrations enregistrées pendant les tempêtes océaniques qui sont inexplicables dans les théories acceptées sur la façon dont les mers agitées génèrent des mouvements dans la Terre solide. Ces vibrations, nommé Love waves d'après leur découvreur du 20e siècle, bousculer les particules de roche souterraines d'un côté à l'autre - perpendiculairement à leur chemin vers l'avant - comme un serpent rampant. "Ces vagues ne devraient pas être là du tout, " a déclaré Gualtieri. "Nous ne savions pas d'où ils venaient."

Les scientifiques ont présenté deux explications plausibles. Une idée est que lorsque la force verticale provenant de la collision des vagues océaniques rencontre une pente sur le fond marin, il se sépare et forme les deux types d'ondes de surface différents :Rayleigh et Love. "Dans ce cas, la source des ondes de Love serait très proche de la source des ondes de Rayleigh, sinon au même endroit, " a déclaré Gualtieri.

Mais les recherches de Gualtieri, co-écrit avec des géoscientifiques de l'Université de Princeton, constate que les pentes et les inclinaisons du fond marin ne sont pas assez raides pour générer la forte force horizontale nécessaire pour produire les ondes de Love captées par les enregistreurs sismiques. leurs résultats, publié le 9 novembre soutenir une théorie alternative, dans lequel les ondes d'Amour prennent naissance à l'intérieur de la Terre elle-même. Il s'avère que lorsque les mers balayées par le vent réduisent la pression jusqu'au fond marin, la structure en patchwork de la Terre solide en dessous répond avec un vrombissement qui lui est propre.

"Nous comprenons comment les tremblements de terre créent des vagues d'Amour, mais nous n'avons jamais exactement compris comment les vagues de l'océan les créent, " a déclaré Keith Koper, expert en bruit sismique ambiant, professeur de géologie et de géophysique et directeur de stations sismographiques à l'Université de l'Utah, qui n'a pas participé à l'étude. "C'est un peu embarrassant car les vagues d'amour générées par l'océan sont observées depuis plus de 50 ans." Le journal dirigé par Gualtieri, il a dit, « fournit des preuves concluantes » de la façon dont les vagues océaniques génèrent ce type particulier de vibration sur la Terre.

Simulation de la Terre

À l'aide du superordinateur Summit du laboratoire national d'Oak Ridge, les chercheurs ont simulé les interactions complexes qui se produisent entre les tempêtes, les vagues de l'océan et la Terre solide sur des périodes de trois heures. Précis jusqu'à quatre secondes, chaque simulation comprenait 230, 400 sources de pression dispersées à travers le monde entier. "Nous utilisons l'ordinateur comme un laboratoire, permettre aux ondes sismiques de se propager à partir de sources réalistes dans tous les océans du monde, sur la base d'une physique connue expliquant comment et où les ondes sismiques sont générées par les tempêtes océaniques, ainsi que la façon dont ils se déplacent à travers la Terre, " a déclaré Gualtieri.

Une version de la Terre modèle représentait la planète comme un monde stratifié simpliste, où les propriétés ne varient qu'avec la profondeur, comme un gâteau en couches. L'autre, un modèle plus réaliste a capturé une plus grande partie de la variation tridimensionnelle de son terrain souterrain, comme un cookie aux pépites de chocolat. Pour chaque version, les chercheurs ont activé et désactivé les données de profondeur sous-marine pour tester si des caractéristiques du fond marin telles que des canyons, les ravins et les montagnes, par opposition à la structure plus profonde, pourraient produire des vagues d'amour.

Les résultats montrent que les ondes d'amour sont mal générées dans les couches de type gâteau, Terre unidimensionnelle. Compte tenu d'environ 30 minutes et d'un océan grondant, cependant, Des vagues d'amour émanaient du fond marin dans le modèle tridimensionnel. Lorsque les ondes de Rayleigh et autres ondes sismiques générées par les tempêtes océaniques rencontrent des zones plus chaudes ou plus froides et différents matériaux lors de leur voyage latéral à travers la Terre, l'étude suggère que leur énergie se disperse et se recentre. Dans le processus, une partie du champ d'ondes se convertit en ondes d'amour. "Si vous appliquez ces sources de pression provenant des interférences des vagues océaniques et que vous attendez, la Terre vous donnera tout le champ d'ondes, " a déclaré Gualtieri. " C'est la Terre elle-même qui va générer les ondes d'Amour. "

Selon Gualtieri, une meilleure compréhension de la façon dont ces vibrations surviennent et se propagent à travers la Terre pourrait aider à combler les lacunes dans la connaissance non seulement de l'intérieur de notre planète, mais aussi de son climat changeant. Les enregistrements sismiques analogiques datent d'avant l'ère des satellites, et des données numériques de haute qualité sont enregistrées depuis plusieurs décennies.

"Cette base de données contient des informations sur les processus environnementaux, et c'est pratiquement inexploité, " elle a dit.