Pracę, której wyniki ukazały się w czasopiśmie „Science Advances”, przeprowadził zespół naukowców z Pennsylvania State University. Jednym ze współautorów jest polski geofizyk dr Rafał Czarny, obecnie związany z Institute of Mine Seismology w Australii.

Jak wyjaśnił w rozmowie z PAP, cały proces zaczyna się od pioruna. Wyładowanie atmosferyczne bardzo mocno ogrzewa otaczające je powietrze. Powietrze gwałtownie się rozszerza, wytwarzając falę uderzeniową, która następnie przechodzi w falę akustyczną odbieraną przez nas jako grzmot. Po dotarciu do powierzchni część energii fali akustycznej sprzęga się z gruntem, wzbudzając fale sejsmiczne, w tym fale powierzchniowe Rayleigha. Powstają w ten sposób bardzo niewielkie drgania, zwane thunderquakes.

Właśnie te drgania okazały się interesujące dla naukowców. Fale sejsmiczne są bowiem jednym z podstawowych narzędzi do obrazowania budowy geologicznej podłoża. W zależności od tego, na jakie materiały natrafiają, rozchodzą się z różną prędkością. Rejestrując te różnice, można odtworzyć układ warstw i struktur znajdujących się pod ziemią.

Zwykle źródłem tych fal są naturalne trzęsienia ziemi albo drgania wywoływane celowo podczas badań geofizycznych. Pierwsze rozwiązanie nie jest jednak uniwersalne, ponieważ nie we wszystkich regionach występują trzęsienia ziemi. Drugie wymaga specjalistycznego sprzętu i prowadzenia prac w terenie, co zwiększa koszty i komplikuje badania.

Naukowcy postanowili więc sprawdzić, czy takim dodatkowym, naturalnym źródłem fal mogą być burze. Wykorzystali ogromny zbiór danych zgromadzonych na kampusie Pennsylvania State University. Przez ponad dwa lata drgania gruntu były tam rejestrowane za pomocą około 4-kilometrowego kabla światłowodowego biegnącego m.in. pod chodnikami i ulicami.

- Zamiast klasycznych sejsmometrów i geofonów wykorzystaliśmy urządzenie Distributed Acoustic Sensing (DAS) - wyjaśnił dr Czarny. Po podłączeniu do światłowodu urządzenie wysyła impulsy laserowe i analizuje światło powracające z włókna. Drgania gruntu wzbudzone przez grzmot minimalnie odkształcają światłowód i zmieniają ten sygnał, dzięki czemu można je wykryć.

Jak dodał naukowiec, ogromną zaletą tej techniki jest to, że jeden długi światłowód może zastąpić bardzo dużą liczbę oddzielnych czujników sejsmicznych. Zamiast rozstawiać wiele sejsmometrów, naukowcy mogą wykonywać pomiary w bardzo wielu punktach tego samego kabla.

- W naszym przypadku 4-kilometrowy światłowód dawał 2137 punktów pomiarowych rozmieszczonych co ok. 2 metry. Dzięki temu mogliśmy dokładnie prześledzić, z jaką prędkością fale sejsmiczne rozchodzą się w poszczególnych miejscach, a na tej podstawie odtworzyć budowę podłoża - dodał dr Czarny.

W sumie naukowcy zebrali prawie 180 terabajtów danych. Szczegółowe analizy pozwoliły wybrać z nich 458 szczególnie wyraźnych zapisów thunderquakes. Każdy z nich zweryfikowali na podstawie danych amerykańskiej National Lightning Detection Network (NLDN), która dostarczała informacji o czasie i lokalizacji wyładowania oraz jego szczytowym prądzie.

Następnie zestawili wiele takich zdarzeń i przeanalizowali, jak szybko wzbudzone przez grzmoty fale sejsmiczne rozchodziły się wzdłuż światłowodu. Na tej podstawie odtworzyli rozkład prędkości fal poprzecznych w podłożu do głębokości ok. 100 metrów.

Co istotne, obrazowanie ujawniło cztery strefy obniżonej prędkości fal, interpretowane jako osłabione, silnie spękane lub zwietrzałe partie krasowego podłoża. Niektóre z tych struktur nie były wcześniej rozpoznane.

Jak zaznaczył dr Czarny, właśnie ten etap był kluczowy dla całej metody. Gdyby uzyskany obraz nie miał związku z rzeczywistą geologią terenu, trudno byłoby uznać, że grzmoty rzeczywiście pozwalają zajrzeć pod ziemię. Tymczasem wyniki były zgodne z niezależnymi danymi z otworów wiertniczych oraz wynikami badań geofizycznych MASW (Multichannel Analysis of Surface Waves), w których budowę płytkiego podłoża określa się na podstawie propagacji fal powierzchniowych. Co więcej, część wykrytych stref osłabienia pokrywała się z obszarami deformacji powierzchni obserwowanymi za pomocą satelitarnej interferometrii radarowej InSAR.

- To potwierdziło, że widzimy prawdziwe struktury - powiedział dr Czarny.

Naukowiec wyjaśnił również, że opracowana i zweryfikowana przez zespół metoda nie oznacza, iż od tej pory geolodzy będą czekali na burzę zamiast prowadzić klasyczne badania sejsmiczne.

- Mamy dobre metody obrazowania podłoża; ta nowa technika będzie raczej niszowa. Może być przydatna przede wszystkim tam, gdzie trudno zastosować tradycyjne źródło fal sejsmicznych albo gdzie naturalne trzęsienia ziemi występują bardzo rzadko - zaznaczył.

Jako przykład podał wschodnią część Stanów Zjednoczonych, która jest znacznie mniej aktywna sejsmicznie niż zachód kraju, za to często występują tam burze. Wspomniał też o porośniętej gęstymi lasami Tasmanii, gdzie łatwiej byłoby położyć światłowód niż wprowadzić ciężki sprzęt lub wysłać ekipę w trudno dostępny teren.

W dalszej perspektywie metoda mogłaby znaleźć zastosowanie także poza Ziemią. Jeśli na innym ciele niebieskim występowałyby zjawiska atmosferyczne zdolne do wzbudzania fal w jego powierzchni, ich rejestracja mogłaby dostarczyć informacji o budowie głębszych warstw.

- To oczywiście perspektywa dalekiej przyszłości. Ale nasze wyniki pokazują, że nie zawsze musimy bezpośrednio wzbudzać drgania gruntu, żeby uzyskać informacje o jego budowie. Możemy skorzystać z energii, której dostarcza atmosfera - podsumował dr Czarny.

Dr Rafał Czarny jest geofizykiem i sejsmologiem górniczym, zajmującym się na co dzień analizą aktywności sejsmicznej w kopalniach na całym świecie. Jego zainteresowania obejmują również obrazowanie sejsmiczne, Distributed Acoustic Sensing (DAS) oraz wykorzystanie naturalnego i antropogenicznego szumu sejsmicznego do badania struktur pod powierzchnią Ziemi. Badania nad thunderquakes były jednym z kilku tematów, którymi zajmował się podczas stażu podoktorskiego na Pennsylvania State University. Obecnie pracuje w Institute of Mine Seismology w Australii. (PAP)

Nauka w Polsce, Katarzyna Czechowicz 

kap/ bar/