‘Seismische oceaanthermometrie’ zou de temperatuurbewaking in de uitgestrekte zeeën kunnen verbeteren
Geluidsgolven geproduceerd door het gerommel van onderzeese aardbevingen bieden een nieuwe manier om te bestuderen hoe klimaatverandering de oceanen opwarmt.
Geluidsgolven die duizenden kilometers door de oceaan reizen, kunnen wetenschappers helpen de klimaatverandering te volgen.
Terwijl de uitstoot van broeikasgassen de planeet opwarmt, neemt de oceaan enorme hoeveelheden van die warmte op. Om de verandering te volgen, verzamelt een wereldwijde vloot van ongeveer 4.000 apparaten, genaamd Argo-drijvers, temperatuurgegevens van de bovenste 2.000 meter van de oceaan. Maar die gegevensverzameling is schaars in sommige regio’s, inclusief diepere uithoeken van de oceaan en gebieden onder zee-ijs.
Dus Wenbo Wu, een seismoloog bij Caltech, en collega’s brengen een decennia oud idee weer naar boven: de snelheid van geluid in zeewater gebruiken om de oceaantemperaturen te schatten. In een nieuwe studie ontwikkelde en testte het team van Wu een manier om door aardbevingen gegenereerde geluidsgolven te gebruiken die over de Oost-Indische Oceaan reizen om temperatuurveranderingen in die wateren van 2005 tot 2016 te schatten.
Door die gegevens te vergelijken met vergelijkbare informatie van Argo-drijvers en computermodellen, bleek dat de nieuwe resultaten goed overeenkwamen. Die bevinding suggereert dat de techniek, genaamd seismische oceaanthermometrie, is veelbelovend voor het volgen van de impact van klimaatverandering op minder goed bestudeerde oceaangebieden, rapporteren de onderzoekers in de 18 september Wetenschap.
Geluidsgolven worden door water gedragen door de trilling van watermoleculen, en bij hogere temperaturen trillen die moleculen gemakkelijker. Hierdoor reizen de golven wat sneller als het water warmer is. Maar die veranderingen zijn zo klein dat onderzoekers, om meetbaar te zijn, de golven over zeer lange afstanden moeten volgen.
Gelukkig kunnen geluidsgolven grote afstanden door de oceaan afleggen, dankzij een merkwaardig fenomeen dat bekend staat als het SOFAR-kanaal, een afkorting van Sound Fixing and Ranging. Gevormd door verschillende zout- en temperatuurlagen in het water, is het SOFAR-kanaal een horizontale laag die fungeert als een golfgeleider, die geluidsgolven op vrijwel dezelfde manier geleidt als optische vezels lichtgolven geleiden, zegt Wu. De golven stuiteren heen en weer tegen de boven- en ondergrenzen van het kanaal, maar kunnen hun weg vrijwel ongewijzigd voortzetten gedurende tienduizenden kilometers (SN: 7/16/60).
In 1979, fysieke oceanografen Walter Munk, vervolgens bij de Scripps Institution of Oceanography in La Jolla, Californië, en Carl Wunsch, nu emeritus hoogleraar aan zowel MIT als Harvard University, kwam met een plan om deze oceaaneigenschappen te gebruiken om de watertemperaturen van het oppervlak tot de zeebodem te meten, een techniek noemden ze “oceaan akoestische tomografie. ” Ze zenden geluidssignalen uit via het SOFAR-kanaal en meten de tijd die de golven nodig hadden om bij ontvangers te arriveren die 10.000 kilometer verderop waren gelegen. Op deze manier hoopten de onderzoekers een wereldwijde database van oceaantemperaturen (SN: 26-1-1991).
Maar milieugroeperingen lobbyden tegen en stopten uiteindelijk het experiment, waarin staat dat de door mensen gemaakte signalen nadelige effecten kunnen hebben op zeezoogdieren, zoals Wunsch opmerkt in een commentaar in hetzelfde nummer van Wetenschap.
Veertig jaar later hebben wetenschappers vastgesteld dat de oceaan in feite een zeer lawaaierige plaats is en dat de voorgestelde door mensen gemaakte signalen zwak zouden zijn geweest in vergelijking met het gerommel van aardbevingen, de oprispingen van onderzeese vulkanen en het gekreun van botsende ijsbergen, zegt seismoloog Emile Okal van Northwestern University in Evanston, Illinois, die niet betrokken was bij de nieuwe studie.
Toch hebben Wu en collega’s een work-around bedacht die elke zorg voor het milieu omzeilt: in plaats van door mensen gemaakte signalen te gebruiken, passen ze aardbevingen toe. Wanneer een onderzeese aardbeving dreunt, komt er energie vrij als seismische golven die bekend staan ​​als P-golven en S-golven die door de zeebodem trillen. Een deel van die energie komt het water binnen, en als dat gebeurt, vertragen de seismische golven en worden ze T-golven.
Die T-golven kunnen ook langs het SOFAR-kanaal reizen. Dus om veranderingen in de oceaantemperatuur te volgen, identificeerden Wu en collega’s “repeaters” – aardbevingen waarvan het team besloot dat ze afkomstig waren van dezelfde locatie, maar die zich op verschillende tijdstippen voordeden. De Oost-Indische Oceaan, zegt Wu, werd gekozen voor deze proof-of-concept-studie, grotendeels omdat het erg seismisch actief is en een overvloed aan dergelijke aardbevingen biedt. Na het identificeren van meer dan 2.000 repeaters van 2005 tot 2016, heeft het team vervolgens de verschillen gemeten in de reistijd van de geluidsgolven over de Oost-Indische Oceaan, een overspanning van ongeveer 3.000 kilometer.
De gegevens onthulden een lichte opwarmingstrend in de wateren, van ongeveer 0,044 graden Celsius per decennium. Die trend is vergelijkbaar met, hoewel een beetje sneller dan, die wordt aangegeven door realtime temperaturen verzameld door Argo-drijvers. Wu zegt dat het team van plan is om de techniek te testen met ontvangers die verder weg zijn, ook voor de westkust van Australië.
Die extra afstand zal belangrijk zijn om te bewijzen dat de nieuwe methode werkt, zegt Okal. “Het is een fascinerende studie”, zegt hij, maar de afstanden die ermee gemoeid zijn, zijn erg kort wat de T-golven betreft, en de geschatte temperatuurveranderingen zijn erg klein. Dat betekent dat elke onzekerheid bij het matchen van de precieze oorsprong van twee herhaalde aardbevingen zich zou kunnen vertalen in onzekerheid in de reistijden en dus de temperatuurveranderingen. Maar toekomstige studies over grotere afstanden kunnen deze bezorgdheid helpen verminderen, zegt hij.
De nieuwe studie is “echt baanbrekend”, zegt Frederik Simons, een geofysicus aan Princeton University, die niet bij het onderzoek betrokken was. “Ze hebben echt een goede manier bedacht om heel subtiele, langzame tijdelijke veranderingen te plagen. Het is technisch erg handig. “
En, voegt Simons toe, seismische gegevens zijn op veel locaties tientallen jaren ouder dan de temperatuurgegevens die door Argo-drijvers zijn verzameld. Dat betekent dat wetenschappers mogelijk seismische oceaanthermometrie kunnen gebruiken om nieuwe schattingen te maken van oceaantemperaturen in het verleden. “Er wordt gezocht naar archiefstukken van hoge kwaliteit.”
