Климатологов часто спрашивают: «Усиливает ли изменение климата ураганы?» но они не могут дать окончательный ответ, потому что глобальные записи об ураганах восходят только к заре спутниковой эры. Но теперь пересечение дисциплин - сейсмологии, атмосферных наук и океанографии - предлагает неиспользованный источник данных: непрерывные сейсмические записи, которые относятся к началу 20-го века.
Международная группа исследователей нашла новый способ определения движения и интенсивности ураганов, тайфунов и других тропических циклонов, отслеживая то, как они сотрясают морское дно, по данным сейсмометров на островах и вблизи побережья. Изучив данные за 13 лет из северо-западной части Тихого океана, они обнаружили статистически значимую корреляцию между сейсмическими данными и штормами. Их работа была опубликована 15 февраля в журнале Earth and Planetary Science Letters.
Группа экспертов была собрана Лючией Гуалтьери из Принстонского университета, научным сотрудником с докторской степенью в области наук о Земле, и Сальваторе Паскалем, научным сотрудником в области атмосферных и океанических наук.
Большинство людей связывают сейсмологию с землетрясениями, сказал Гуалтьери, но подавляющее большинство сейсмических записей показывает малоинтенсивные движения из другого источника: океанов. «Сейсмограмма - это в основном движение земли. Он записывает землетрясения, потому что землетрясение сотрясает землю. Но он также записывает все крошечные другие движения, от проходящих поездов до ураганов. «Тайфуны очень хорошо видны в записи», - сказала она.
Поскольку нет никакого способа узнать, когда произойдет землетрясение, сейсмометры работают постоянно, всегда готовые зафиксировать резкое приближение землетрясения. В промежутках между этими потрясающими событиями они отслеживают фоновый грохот планеты. По словам Гуалтьери, примерно 20 лет назад геофизики считали этот низкоинтенсивный грохот шумом.
«Что такое шум? Шум - это сигнал, который мы не понимаем», - сказал Паскаль, который также является научным сотрудником в Лаборатории геофизической гидродинамики Национального управления океанических и атмосферных исследований.
Подобно тому, как астрономы обнаружили, что статические помехи между радиостанциями дают нам информацию о космическом фоне, сейсмологи обнаружили, что низкоуровневый «шум», регистрируемый сейсмограммами, является признаком вызванных ветром океанских штормов, кумулятивных эффект волн, разбивающихся о пляжи по всей планете или сталкивающихся друг с другом в открытом море.
Одна океанская волна, действующая в одиночку, недостаточно сильна, чтобы генерировать сейсмическую сигнатуру на частотах, которые она исследовала, объяснила Гуальтьери, потому что типичные океанские волны воздействуют только на несколько верхних футов моря. «Движение частиц экспоненциально затухает с глубиной, поэтому на морском дне вы ничего не видите», - сказала она. «Основным механизмом возникновения сейсмических аномалий от тайфуна является взаимодействие двух океанских волн друг с другом». Когда две волны сталкиваются, они создают вертикальное давление, которое может достигать морского дна и раскачивать ближайший сейсмометр.
Когда шторм достаточно сильный, а штормы классифицируются как ураганы или тайфуны, он оставляет сейсмические записи, продолжающиеся несколько дней. Предыдущие исследователи успешно прослеживали отдельные сильные штормы на сейсмограмме, но Гуалтьери подошёл к вопросу с противоположной стороны: может ли сейсмограмма обнаружить какой-либо сильный шторм в этом районе?
Гвалтьери и ее коллеги обнаружили статистически значимое соответствие между возникновением тропических циклонов и длительными сейсмическими сигналами большой амплитуды с короткими периодами, от трех до семи секунд, называемыми «вторичными микросейсмами». Они также смогли рассчитать силу тайфунов по этим «вторичным микросейсмам» или крошечным колебаниям, которые они успешно сопоставили с наблюдаемой интенсивностью штормов.
Короче говоря, сейсмических данных было достаточно, чтобы определить, когда происходили тайфуны и насколько они были сильными.
До сих пор исследователи сосредоточились на океане у берегов Азии из-за его мощных тайфунов и хорошей сети сейсмических станций. Их следующие шаги включают усовершенствование своего метода и изучение других штормовых бассейнов, начиная с Карибского бассейна и восточной части Тихого океана.
А затем они возьмутся за историческую сейсмическую запись: «Когда у нас будет очень определенный метод и мы применим этот метод ко всем этим другим регионам, мы хотим начать возвращаться в прошлое», - сказал Гуалтьери.
Хотя информация о глобальных штормах восходит только к началу спутниковой эры, в конце 1960-х и начале 1970-х годов первые современные сейсмограммы были созданы в 1880-х годах. К сожалению, самые старые записи существуют только на бумаге, и лишь немногие исторические записи были оцифрованы.
«Если бы все эти данные были доступны, у нас могли бы быть записи более чем столетней давности, а затем мы могли бы попытаться увидеть любую тенденцию или изменение интенсивности тропических циклонов за столетие или более», - сказал Паскаль. «Очень сложно установить тенденции в интенсивности тропических циклонов, чтобы увидеть влияние глобального потепления. Модели и теории предполагают, что они должны стать более интенсивными, но важно найти данные наблюдений».
«Эта новая техника, если будет доказано, что она действительна во всех бассейнах, подверженных тропическим циклонам, эффективно продлит эру спутников», - сказал Морган О'Нил, технический директор. Постдокторант Чемберлина в области наук о Земле в Чикагском университете, который не участвовал в этом исследовании. «Это продлевает период времени, в течение которого у нас есть глобальный охват случаев возникновения и интенсивности тропических циклонов», - сказала она.
Способность исследователей сопоставлять сейсмические данные с интенсивностью шторма имеет жизненно важное значение, сказала Эллисон Винг, доцент кафедры наук о земле, океане и атмосфере в Университете штата Флорида, которая не участвовала в этом исследовании. «Когда дело доходит до понимания тропических циклонов - что контролирует их изменчивость и их реакцию на климат и изменение климата - лучше иметь больше данных, в частности данных, которые могут рассказать нам об интенсивности, что, по-видимому, делает их метод… Это помогает нам ограничивать диапазон изменчивости, который может иметь интенсивность урагана».
Эта связь между штормами и сейсмичностью началась, когда Гуалтьери решила поиграть с данными об ураганах в свободное время, сказала она. Но когда она наложила данные об ураганах на сейсмические данные, она поняла, что что-то нашла. «Я сказал: «Вау, это нечто большее, чем просто игра. Давайте свяжемся с кем-нибудь, кто может помочь».
Ее исследовательская группа в конечном итоге расширилась, в нее вошли второй сейсмолог, два специалиста по атмосферным исследованиям и статистик.«Самым сложным было наладить связь с учеными разного происхождения, - сказал Паскаль. «Часто в разных областях науки мы говорим на разных диалектах, на разных научных диалектах».
Как только они развили «общий диалект», сказал он, они начали делать захватывающие открытия.
«Вот как развивается наука», - сказал Паскаль. «Исторически так было всегда. Сначала дисциплины развиваются внутри своего царства, затем рождается новая область».
Статья Лусии Гуалтьери, Сузаны Камарго, Сальваторе Паскаль, Флавио Понса и Йорана Экстрема «Постоянные признаки тропических циклонов в окружающем сейсмическом шуме» была опубликована 15 февраля в журнале Earth and Planetary Science Letters. Исследование Гуалтьери было поддержано стипендией Ламонта-Доэрти Земной обсерватории, Принстонским университетом и Университетом науки и технологий имени короля Абдуллы. Camargo получил поддержку грантов NOAA NA15OAR4310095 и NA16OAR4310079. Паскаль был поддержан грантом NA14OAR4320106 Кооперативного института климатологии NOAA. Это номер вклада Ламонта-Доэрти 8172.