Привет из семидесятых. Как землетрясения помогут ученым с глобальным потеплением

Автор Science News Кэролайн Гремлин пишет в своем материале об инновационном и перспективном методе, пусть и с корнями в прошлом, который позволит ученым эффективнее собирать данные о повышении температуры в мировом океане.

Звуковые волны в океане могут расходиться на тысячи километров и могут помочь ученым в отслеживании изменения климата.

Скорость звука как помощник в изучении климата

Океан поглощает большую часть тепла, образующегося из—за выбросов нагревающих планету парниковых газов. Для мониторинга ситуации флотилия из порядка 4 тыс. буев Argo собирает по всему миру данные о температуре в верхних слоях океана — на глубине до 2 тыс. м. Однако в некоторых регионах, включая глубоководные участки океана и под морским льдом, с получением данных возникает проблема.

Поэтому Вэнбо Ву, сейсмолог из Калифорнийского технологического института, и его коллеги решили возродить старый проект — использовать скорость звука в морской воде для оценки температуры океана. В рамках своего нового исследования команда Ву разработала и протестировала способ использования генерируемых землетрясениями звуковых волн, распространяющихся в восточной части Индийского океана, для фиксирования изменений температуры в этих водах в период с 2005 по 2016 г.

Полученные результаты совпали с аналогичными данными, полученными благодаря буям Арго. Как отметили ученые в статье, опубликованной в журнале Science 18 сентября, данное открытие дает основания полагать, что метод, получивший название сейсмической термометрии океана, позволит отслеживать влияние изменения климата на менее изученные районы океана.

Звуковые волны распространяются в воде благодаря вибрации молекул воды, а при более высоких температурах вибрация молекул выше. Потому звук распространяется несколько быстрее, когда вода теплее. Однако эти изменения столь несущественны, что для того, чтобы их можно было измерить, ученым нужно отслеживать распространение звука на очень больших расстояниях.

К счастью, звуковые волны могут преодолевать большие расстояния в океане благодаря любопытному явлению, известному как канал SOFAR (Sound Fixing and Ranging). По словам Ву, канал SOFAR, состоящий из слоев воды с разным уровнем соли и температуры, — это горизонтальный слой воды, который работает как волновод, по которому звуковые волны распространяется так же, как свет распространяется по оптическому волокну. Звук может отражаться назад или же вперед от верхней и нижней границ этого канала, но все же продолжает свой путь протяженностью в десятки тысяч километров.

В 1979 г. физики-океанографы Уолтер Мунк, работавший тогда в Океанографическом институте Скриппса в Ла-Хойе (Калифорния), и Карл Вунш, сегодня профессор Массачусетского технологического института и Гарвардского университета, разработали план по использованию этих свойств океана для измерения температуры воды — от поверхности до морского дна. Этот метод они назвали "акустической томографией океана". Они хотели передавать звуковые сигналы через SOFAR и измерять время, которое требуется им, чтобы достигнуть приемников, расположенных на расстоянии в 10 тыс. км. Таким образом ученые надеялись составить глобальную базу данных о температурах океана.

Однако экологические группы выступили против и в конечном итоге смогли добиться остановки эксперимента. Как отметил Вунш в комментарии Science, по их словам, антропогенные сигналы могут иметь неблагоприятные последствия для морских млекопитающих.

Новая жизнь старого метода

Сейсмолог Эмиль Окал из Северо-Западного университета в Эванстоне (штат Иллинойс), не принимавший участия в новом исследовании, подчеркнул: сорок лет спустя ученые выяснили, что океан на самом деле — довольно шумное место, и что пресловутые антропогенные сигналы куда слабее грохота землетрясений, извержений подводных вулканов и столкновений айсбергов.

И все же Ву и его коллеги решили придумать альтернативный метод, который позволил бы избежать создания проблем для экологии, — вместо антропогенных сигналов, они используют землетрясения. Во время подводного землетрясения выделяется энергия в виде сейсмических волн, известных как P-волны и S-волны, создающих вибрации на поверхности морского дна. Часть энергии уходит в воду, и, когда это происходит, сейсмические волны замедляются, становясь волнами T.

Эти T также могут распространяться через SOFAR. Поэтому для отслеживания изменения температуры океана, Ву и его коллеги определили "ретрансляторы" — землетрясения, которые, по мнению исследований, происходят в одном и том же месте, но в разное время. Восточную часть Индийского океана, по словам Ву, они выбрали для этого исследования в основном потому, что регион очень активен сейсмически. Определив за период с 2005 по 2016 г. больше 2 тыс. таких "ретрансляторов", ученые затем установили, сколько времени звуковых волнам в восточной части Индийского океана понадобилось, чтобы преодолеть примерно 3 тыс. км.

Согласно полученным данным, была зафиксирована тенденция к небольшому росту температуры воды — примерно на 0,044 градуса Цельсия за десять лет. Тенденция эта отображается и буями Argo, пусть и скорость повышения температуры несколько выше, если сравнивать з данными, полученными от буев в реальном времени. По словам Ву, теперь ученые намерены испытать этот метод с приемниками, которые разместят еще дальше, в том числе у западного побережья Австралии.

Как пояснил Окал, увеличение расстояние необходимо для получения подтверждения того, что новый метод работает. "Это увлекательное исследование", — добавил он, но нынешние расстояния все же невелики, как и фиксируемые изменения температуры. Это означает, что любые помехи при определении точного места двух повторяющихся землетрясений, могут помешать в определении времени распространения звука, а следовательно, и отслеживании изменения температуры. Однако предстоящие эксперименты, которые будут проводиться на больших расстояниях, помогут справиться с этой проблемой, считает он.

Фредерик Саймонс, геофизик из Принстонского университета, также не имеющий отношения к исследованию, считает, что оно "действительно открывает новые горизонты". "Они действительно придумали отличный способ выявить очень незаметные, непродолжительные временные изменения. Технически это действительно очень умно", — сказал он.

И, добавляет Саймонс, много где сейсмические данные на несколько десятков лет старше, чем данные о температуре, собранные буями Argo. Значит, ученые смогут использовать сейсмическую термометрию океана для получения новых данных по температуре океана в прошлом. "Начнется охота на точные записи из архивов", — резюмировал он.