Une étude identifie les origines sous-marines de mystérieuses vagues d’amour, décodant certaines des vibrations continues de la Terre – Science

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  • Les vibrations voyagent à travers notre planète par vagues, comme des accords résonnant d’une guitare grattée. Les tremblements de terre, les volcans et l’agitation de l’activité humaine excitent certaines de ces ondes sismiques. Beaucoup d’autres résonnent des tempêtes océaniques provoquées par le vent.

    Alors que les tempêtes agitent les mers du monde, les vagues du 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 secousses qui ondulent à travers la Terre jusqu’à chaque coin du globe.

    “Il y a une empreinte de ces trois systèmes terrestres dans ces données sismiques ambiantes: l’atmosphère, les couches extérieures rocheuses de la Terre et l’océan”, a déclaré Lucia Gualtieri, géophysicienne à l’Université de Stanford, auteur principal d’un article dans 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.

    Connues 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. “Lorsque vous enregistrez ces ondes, l’enregistrement sismique ressemble à un bruit aléatoire car il y a tellement de sources, l’une proche de l’autre sur la zone étendue d’une tempête. Elles agissent toutes en même temps et les champs d’ondes qui en résultent interfèrent avec », a déclaré Gualtieri. “Vous voulez simplement le jeter.”

    Pourtant, au cours des 15 dernières années, les chercheurs ont trouvé un moyen d’extraire du sens de ces données bruyantes. En analysant la vitesse à laquelle les paires d’ondes se déplacent d’une station sismique à une autre, ils ont commencé à recueillir des informations sur les matériaux qu’ils traversent. «Nous utilisons des ondes sismiques comme les rayons X dans l’imagerie médicale pour scanner la Terre», a déclaré Gualtieri, qui est professeur adjoint de géophysique à la School of Earth, Energy & Environmental Sciences de Stanford (Stanford Earth).

    L’amour des vagues du fond de l’océan

    Contrairement à une seule vague océanique roulant sur 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 pulsent tout le chemin. à la Terre solide ci-dessous. Les vibrations appelées ondes de Rayleigh se déplacent ensuite vers l’extérieur à partir de l’impulsion, déplaçant le sol de haut en bas au fur et à mesure.

    Pendant des décennies, les scientifiques ont compris la composante verticale des microséismes des tempêtes océaniques, où dominent les ondes de Rayleigh. Mais il y a un autre ensemble de vibrations enregistrées pendant les tempêtes océaniques qui sont inexplicables dans les théories acceptées sur la façon dont les mers orageuses génèrent des mouvements dans la Terre solide. Ces vibrations, nommées Love waves après leur découvreur du XXe siècle, bousculent les particules de roche souterraine côte à côte – perpendiculairement à leur chemin vers l’avant – comme un serpent rampant. “Ces vagues ne devraient pas du tout être là”, 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 pompant vers le bas à partir de la collision des vagues océaniques rencontre une pente sur le fond marin, elle se divise et forme les deux types d’ondes de surface: Rayleigh et Love. “Dans ce cas, la source des ondes d’Amour serait très proche de la source des ondes de Rayleigh, sinon au même endroit”, a déclaré Gualtieri.

    Mais les recherches de Gualtieri, co-rédigées avec des géoscientifiques de l’Université de Princeton, révèlent que les pentes et les pentes du fond marin ne sont pas assez raides pour générer la forte force horizontale nécessaire pour produire les ondes d’Amour captées par les enregistreurs sismiques. Leurs résultats, publiés le 9 novembre, soutiennent une théorie alternative, dans laquelle les ondes d’Amour proviennent de la Terre elle-même. Il s’avère que lorsque les mers balayées par les vents réduisent la pression vers le fond marin, la structure en patchwork de la Terre solide en dessous répond avec un thrum qui lui est propre.

    «Nous comprenons comment les tremblements de terre créent des ondes d’amour, mais nous n’avons jamais compris exactement 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 des stations de sismographie 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 document dirigé par Gualtieri, a-t-il dit, “fournit des preuves concluantes” de la façon dont les vagues de l’océan génèrent ce type particulier de vibrations sur la Terre.

    Simuler la Terre

    À l’aide du supercalculateur Summit du Oak Ridge National Laboratory, 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. Précise jusqu’à quatre secondes, chaque simulation comprenait 230 400 sources de pression disséminées dans le monde entier. “Nous utilisons l’ordinateur comme un laboratoire pour permettre aux ondes sismiques de se propager à partir de sources réalistes dans tous les océans du monde, en nous basant sur des données physiques connues sur la manière et l’emplacement des ondes sismiques générées par les tempêtes océaniques, ainsi que sur la façon dont elles se déplacent sur Terre, “A déclaré Gualtieri.

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

    Les résultats montrent que les ondes d’Amour sont mal générées dans la Terre unidimensionnelle en forme de gâteau en couches. Avec environ 30 minutes et un océan grondant, cependant, les vagues d’Amour ont émané du dessous du fond marin dans le modèle en trois dimensions. Lorsque les ondes de Rayleigh et d’autres ondes sismiques générées par les tempêtes océaniques rencontrent des zones plus chaudes ou plus froides et différents matériaux au cours 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 vagues océaniques interférentes et que vous attendez, la Terre vous donnera tout le champ de vagues”, a déclaré Gualtieri. “C’est la Terre elle-même qui générera les vagues d’Amour.”

    Selon Gualtieri, une meilleure compréhension de la façon dont ces vibrations apparaissent 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 elle est pratiquement inexploitée», a-t-elle déclaré.

    Les ressources informatiques ont été fournies par l’Oak Ridge Leadership Computing Facility du Département américain de l’énergie et le Princeton Institute for Computational Science & Engineering (PICSciE).

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