Привіт із сімдесятих. Як землетруси допоможуть вченим з глобальним потеплінням

Автор Science News Керолайн Гремлін пише у своїй статті про інноваційний та перспективний метод, нехай і з корінням у минулому, який дозволить вченим ефективніше збирати дані про підвищення температури в світовому океані.

Звукові хвилі в океані можуть розходитися на тисячі кілометрів і можуть допомогти вченим у відстеженні зміни клімату.

Швидкість звуку як помічник у вивченні клімату

Океан поглинає більшу частину тепла, що утворюється через викиди парникових газів, які нагрівають планету . Для моніторингу ситуації флотилія з майже 4 тис. буїв Argo збирає по всьому світу дані про температуру у верхніх шарах океану — на глибині до 2 тис. м. Однак у деяких регіонах, включаючи глибоководні ділянки океану і під морським льодом, з отриманням даних виникає проблема.

Тому Венбо Ву, сейсмолог з Каліфорнійського технологічного інституту, і його колеги вирішили відродити старий проєкт — використовувати швидкість звуку в морській воді для оцінки температури океану. В рамках свого нового дослідження команда Ву розробила і протестувала спосіб використання звукових хвиль, що генеруються землетрусами і поширюються в східній частині Індійського океану, для фіксування змін температури в цих водах в період з 2005 по 2016 рр.

Отримані результати збіглися з аналогічними даними, отриманими завдяки буям Арго. Як зазначили вчені в статті, опублікованій в журналі Science 18 вересня, це відкриття дає підстави вважати, що метод, який отримав назву сейсмічної термометрії океану, дозволить відстежувати вплив зміни клімату на менш вивчені райони океану.

Звукові хвилі поширюються у воді завдяки вібрації молекул води, а при більш високих температурах вібрація молекул вища. Тому звук поширюється дещо швидше, коли вода тепліша. Однак ці зміни настільки несуттєві, що, для того щоб їх можна було виміряти, вченим потрібно відстежувати поширення звуку на дуже великих відстанях.

На щастя, звукові хвилі можуть долати великі відстані в океані завдяки цікавому явищу, відомому як канал SOFAR (Sound Fixing and Ranging). За словами Ву, канал SOFAR, що складається з шарів води з різним рівнем солі і температури, — це горизонтальний шар води, який працює як хвилевід, по якому звукові хвилі поширюється так само, як світло поширюється по оптичному волокну. Звук може відображатися назад або ж вперед від верхньої і нижньої меж цього каналу, але все-таки продовжує свій шлях довжиною в десятки тисяч кілометрів.

У 1979 р. фізики-океанографи Уолтер Мунк, який працював тоді в Океанографічному інституті Скріппса в Ла-Хойя (Каліфорнія), і Карл Вунш, сьогодні професор Массачусетського технологічного інституту і Гарвардського університету, розробили план щодо використання цих властивостей океану для вимірювання температури води — від поверхні до морського дна. Цей метод вони назвали "акустичною томографією океану". Вони хотіли передавати звукові сигнали через SOFAR і вимірювати час, який потрібен їм, щоб досягти приймачів, розташованих на відстані в 10 тис. км. Таким чином вчені сподівалися скласти глобальну базу даних про температури океану.

Однак екологічні групи виступили проти і в кінцевому підсумку змогли домогтися зупинки експерименту. Як зазначив Вунш в коментарі Science, за їхніми словами, антропогенні сигнали можуть мати несприятливі наслідки для морських ссавців.

Нове життя старого методу

Сейсмолог Еміль Окал з Північно-Західного університету в Еванстоні (штат Іллінойс), який не брав участь у новому дослідженні, підкреслив: 40 років по тому вчені з'ясували, що океан насправді досить гучне місце і що горезвісні антропогенні сигнали значно слабші за гуркіт землетрусів, вивержень підводних вулканів і зіткнень айсбергів.

І все ж Ву і його колеги вирішили придумати альтернативний метод, який дозволив би уникнути створення проблем для екології, — замість антропогенних сигналів вони використовують землетруси. Під час підводного землетрусу виділяється енергія у вигляді сейсмічних хвиль, відомих як P-хвилі і S-хвилі, що створюють вібрації на поверхні морського дна. Частина енергії йде у воду, і, коли це відбувається, сейсмічні хвилі сповільнюються, стаючи хвилями T.

Ці T-хвилі також можуть поширюватися через SOFAR. Тому для відстеження зміни температури океану Ву і його колеги визначили "ретранслятори" — землетруси, які, на думку дослідників, відбуваються в одному і тому самому місці, але в різний час. Східну частину Індійського океану, за словами Ву, вони вибрали для цього дослідження в основному тому, що регіон дуже активний сейсмічно. Визначивши за період з 2005 по 2016 рр. понад 2 тис. таких "ретрансляторів", вчені потім встановили, скільки часу звуковим хвилям у східній частині Індійського океану знадобилося, щоб подолати приблизно 3 тис. км.

Згідно з отриманими даними була зафіксована тенденція до невеликого зростання температури води — приблизно на 0,044 градуса Цельсія за десять років. Тенденція ця відображається і буями Argo, нехай і швидкість підвищення температури дещо вища, якщо порівнювати з даними, отриманими від буїв у реальному часі. За словами Ву, тепер вчені мають намір випробувати цей метод з приймачами, які розмістять ще далі, в тому числі біля західного узбережжя Австралії.

Як пояснив Окал, збільшення відстані необхідне для отримання підтвердження того, що новий метод працює. "Це захоплююче дослідження", — додав він, але теперішні відстані все-таки невеликі, як і зміни температури, що фіксуються. Це означає, що будь-які перешкоди при визначенні точного місця двох повторюваних землетрусів, можуть перешкодити у визначенні часу поширення звуку, а отже, і відстеження зміни температури. Однак майбутні експерименти, які будуть проводитися на великих відстанях, допоможуть впоратися з цією проблемою, вважає він.

Фредерік Саймонс, геофізик з Прінстонського університету, який також не має відношення до дослідження, вважає, що воно "дійсно відкриває нові горизонти". "Вони дійсно придумали відмінний спосіб виявити дуже непомітні, нетривалі тимчасові зміни. Технічно це дійсно дуже розумно", — сказав він.

І, додає Саймонс, багато де сейсмічні дані на кілька десятків років старші, ніж дані про температуру, зібрані буями Argo. Значить, вчені зможуть використовувати сейсмічну термометрію океану для отримання нових даних про температуру океану в минулому. "Розпочнеться полювання на точні записи з архівів", — резюмував він.