Observation och ursprung för elastogravitationssignalen som föregår direkta seismiska vågor. Kartan visar platsen för seismometrarna (trianglarna) som upptäcker promptsignalerna strax efter början av Tohoku-jordbävningen (Japan, 11 mars 2011, magnitud 9,1), indikeras av den svarta stjärnan. Vi fokuserar här på en av stationerna (MDJ), ligger i nordöstra Kina, 1280 km från jordbävningen i Tohoku. På sådana avstånd, direkta seismiska vågor anländer cirka 165 sekunder efter att jordbävningen startade, som visas i insättningen som återger det vertikala MDJ-seismogrammet. Dock, en tydlig, även om mycket svagare, accelerationssignal detekteras av seismometern innan direktvågorna anländer. Ursprunget för en sådan signal kan förstås genom att överväga en tid efter jordbävningens början men före ankomsten av de direkta seismiska vågorna. Till exempel, cirka 55 s efter ursprungstid, direkta vågor har fortplantat sig inuti volymen som visas av det grå området, men är fortfarande långt ifrån att anlända till MDJ station. Dock, inuti denna volym, seismiska vågor har orsakat kompressioner och utvidgningar av mediet (som ytterligare indikeras i det nedre tvärsnittet), och det globala bidraget från alla sådana element vars massa har förändrats ger upphov till en gravitationsstörning, detekteras omedelbart av seismometern (direkt effekt). Gravitationsfältet är också modifierat överallt på jorden, och vart och ett av elementen som påverkas av dessa störningar är en sekundär källa för seismiska vågor (inducerad effekt). I den gröna volymen runt seismometern, detta sekundära seismiska vågfält anländer före de direkta vågorna. Seismometern registrerar därför en snabb elastogravitetsignal, på grund av de direkta och inducerade effekterna av gravitationsstörningarna. Kredit:IPGP, 2017
Efter en jordbävning, det finns en momentan gravitationsstörning som kan registreras före de seismiska vågorna som seismologer kan upptäcka. I en studie publicerad i Vetenskap den 1 december, 2017, ett team bestående av forskare från CNRS, IPGP, Université Paris Diderot och Caltech har lyckats observera dessa svaga signaler relaterade till gravitation och att förstå var de kommer ifrån. Eftersom de är känsliga för jordbävningarnas storlek, dessa signaler kan spela en viktig roll i den tidiga identifieringen av förekomsten av en större jordbävning.
Detta arbete kom från interaktionen mellan seismologer som ville bättre förstå jordbävningar och fysiker som utvecklade fina gravitationsmätningar i syfte att detektera gravitationsvågor. Jordbävningar förändrar brutalt jämvikten mellan krafterna på jorden och avger seismiska vågor vars konsekvenser kan vara förödande. Men samma vågor stör också jordens tyngdfält, som ger en annan signal. Detta är särskilt intressant med tanke på snabb kvantifiering av skakningar, eftersom den rör sig med ljusets hastighet, till skillnad från tremorvågor, som fortplantar sig i hastigheter mellan tre och 10 km/s. Så seismometrar vid en station som ligger 1000 km från epicentret kan potentiellt upptäcka denna signal mer än två minuter innan de seismiska vågorna anländer.
Det arbete som presenteras här följer på en 2016 (J.-P. Montagner et al., Nat. Commun . 7, 13349 (2016)) studie som visade denna signal för första gången. Först, forskarna observerade dessa signaler på data från cirka 10 seismometrar belägna mellan 500 och 3000 km från epicentrum av den japanska jordbävningen 2011 (magnitut 9,1). Från deras observationer, forskarna visade sedan att dessa signaler berodde på två effekter. Den första är gravitationsförändringen som sker vid platsen för seismometern, som ändrar jämviktspositionen för instrumentets massa. Den andra effekten, som är indirekt, beror på gravitationsförändringen överallt på jorden, som stör krafternas jämvikt och producerar nya seismiska vågor som kommer att nå seismometern.
Med hänsyn till dessa två effekter, forskarna har visat att denna gravitationsrelaterade signal är mycket känslig för jordbävningens magnitud, vilket gör den till en bra kandidat för att snabbt kvantifiera omfattningen av starka jordbävningar. Den framtida utmaningen är att utnyttja denna signal för magnituder under cirka åtta till 8,5, eftersom under denna tröskel, signalen är för svag i förhållande till det seismiska bruset som avges naturligt av jorden, och att dissociera det från detta brus är komplicerat. Så forskare planerar att testa flera tekniker, inklusive några inspirerade från instrument utvecklade för att upptäcka gravitationsvågor.
