Vibrationer färdas genom vår planet i vågor, som ackord som klingar från en trumlad gitarr. Jordbävningar, vulkaner och myllret av mänsklig aktivitet retar upp några av dessa seismiska vågor. Många fler ekar från vinddrivna havsstormar.

När stormar vädrar världens hav, vindpiskade vågor på ytan samverkar på ett unikt sätt som producerar kolvliknande dunsar av tryck på havsbotten, genererar en ström av svaga skakningar som böljar genom jorden till varje hörn av jordklotet.

"Det finns ett avtryck av dessa tre jordsystem i dessa omgivande seismiska data:atmosfär, Jordens steniga yttre lager och hav, " sa Stanford University geofysiker Lucia Gualtieri, huvudförfattare till en artikel i Proceedings of the National Academy of Sciences som hjälper till att lösa en årtionden gammal gåta om fysiken för seismiska vågor relaterade till havsstormar.

Känd som sekundära mikroseismer, de små seismiska vågorna som upphetsas av mullrande hav är så allestädes närvarande och kaotiska att seismologer länge har lagt data åt sidan. "När du spelar in dessa vågor, den seismiska posten ser ut som slumpmässigt brus eftersom det finns så många källor, en nära den andra över det utökade området av en storm. De spelar alla samtidigt, och de resulterande vågfälten interfererar med varandra, "Sa Gualtieri. "Du vill bara slänga det."

Men under de senaste 15 åren, forskare har hittat ett sätt att extrahera mening från denna bullriga data. Genom att analysera hur snabbt par vågor reser från en seismisk station till en annan, de har börjat skaffa sig insikter om materialen de rör sig igenom. "Vi använder seismiska vågor som röntgenstrålar i medicinsk bildbehandling för att skanna jorden, sa Gualtieri, som är biträdande professor i geofysik vid Stanfords School of Earth, Energi- och miljövetenskap (Stanford Earth).

Kärleksvågor från havsbotten

Till skillnad från en enda havsvåg som rullar över ytan, som dör ut innan den når djuphavet, den kaotiska växelverkan mellan vågor som färdas i motsatta riktningar under en storm kan skapa en upp-och-ned guppande rörelse vid ytan som pulserar hela vägen till den fasta jorden nedanför. Vibrationer kända som Rayleigh-vågor vandrar sedan utåt från pulsen, flytta marken upp och ner allt eftersom.

I årtionden, forskare har förstått den vertikala komponenten av havsstormsmikroseismer, där Rayleigh-vågor dominerar. Men det finns en annan uppsättning vibrationer som registrerats under havsstormar som är oförklarliga i de accepterade teorierna för hur stormiga hav genererar rörelser i den fasta jorden. Dessa vibrationer, namngav kärleken vågar efter sin upptäckare från 1900-talet, knuffa underjordiska stenpartiklar sida till sida - vinkelrätt mot deras väg framåt - som en glidande orm. "De här vågorna borde inte vara där alls, "Sade Gualtieri. "Vi visste inte var de kom ifrån."

Forskare har presenterat två rimliga förklaringar. En idé är att när den vertikala kraften som pumpar ner från kolliderande havsvågor möter en sluttning på havsbotten, den delar sig och bildar de två olika ytvågstyperna:Rayleigh och Love. "Isåfall, källan till kärleksvågorna skulle vara mycket nära källan till Rayleigh-vågorna, om inte samma plats, sa Gualtieri.

Men Gualtieris forskning, skrev tillsammans med geovetare från Princeton University, upptäcker att havsbottens sluttningar och lutningar inte är tillräckligt branta för att generera den starka horisontella kraften som krävs för att producera kärleksvågorna som plockas upp av seismiska registreringsenheter. Deras resultat, publicerad 9 nov. stödja en alternativ teori, där kärleksvågor har sitt ursprung i själva jorden. Det visar sig att när vindpinade hav stryper trycket ner till havsbotten, lapptäcksstrukturen av den fasta jorden under svarar med ett helt eget slag.

"Vi förstår hur jordbävningar skapar kärleksvågor, men vi har aldrig riktigt kommit på hur havsvågor skapar dem, "sa experten för seismisk buller Keith Koper, en professor i geologi och geofysik och chef för seismografstationer vid University of Utah, som inte var involverad i studien. "Det här är lite pinsamt eftersom havsgenererade kärleksvågor har observerats i över 50 år." Tidningen ledd av Gualtieri, han sa, "ger avgörande bevis" för hur havsvågor genererar just denna typ av vibrationer i jorden.

Simulerar jorden

Genom att använda Summit-superdatorn vid Oak Ridge National Laboratory, forskarna simulerade de komplexa interaktioner som uppstår mellan stormar, havsvågor och den fasta jorden under tre timmars perioder. Exakt ner till fyra sekunder, varje simulering inkluderade 230, 400 tryckkällor utspridda över hela världen. "Vi använder datorn som ett labb, att låta seismiska vågor fortplanta sig från realistiska källor över hela världens hav baserat på känd fysik om hur och var seismiska vågor genereras av havsstormar, samt hur de rör sig genom jorden, sa Gualtieri.

En version av modellen Jorden representerade planeten som en förenklad stratifierad värld, där egenskaperna endast varierar med djupet, som en lagertårta. Den andra, en mer verklighetstrogen modell fångade mer av den tredimensionella variationen i dess underjordiska terräng, som en chokladkaka. För varje version, forskarna slog på och av undervattensdjupdata för att testa om havsbottenegenskaper som kanjoner, raviner och berg – i motsats till den djupare strukturen – kunde producera kärleksvågor.

Resultaten visar att kärleksvågor genereras dåligt i lagerkakaliknande, endimensionell jord. Med tanke på cirka 30 minuter och ett mullrande hav, dock, Kärleksvågor emanerade under havsbotten i den tredimensionella modellen. När Rayleigh-vågor och andra seismiska vågor som genereras av havsstormar möter varmare eller kallare zoner och olika material i sin laterala resa genom jorden, studien tyder på att deras energi sprider sig och fokuserar om. I processen, en del av vågfältet omvandlas till kärleksvågor. "Om du applicerar de tryckkällorna från störande havsvågor och du väntar, jorden kommer att ge dig hela vågfältet, " sa Gualtieri. "Det är jorden själv som kommer att generera kärleksvågorna."

Enligt Gualtieri, bättre förståelse för hur dessa vibrationer uppstår och fortplantar sig genom jorden skulle kunna bidra till att fylla ut luckor i kunskap om inte bara vår planets inre utan också dess föränderliga klimat. Analoga seismiska inspelningar går tillbaka till före satelliteran, och högkvalitativ digital data har loggats i flera decennier.

"Denna databas innehåller information om miljöprocesser, och det är praktiskt taget outnyttjat, " Hon sa.