Потепление океана измеряется звуками землетрясения

Потепление океана измеряется звуками землетрясения

В 1991 году ученые спустили большие сабвуферы в воду на острове Херд, заснеженном вулканическом острове в Индийском океане. Из динамиков доносились низкочастотные звуки, которые эхом разносились по всему океану, как песня кита. Захваченные приемниками у берегов Калифорнии и Бермуд, сигналы содержали важную информацию о воде, которую они пересекали: насколько она была горячей. Это был многообещающий способ наблюдения за потеплением океанов Земли, но опасения по поводу того, как подводный шум может повлиять на морскую жизнь, вскоре поставил его под сомнение, и только несколько преданных своему делу ученых использовали этот метод. Но теперь всё иначе – только на этот раз шумит сама земля.

Группа сейсмологов и океанографов показала, что небольшие землетрясения, повторяющиеся из одного и того же места под океанским дном, могут заменить сабвуферы. Землетрясения генерируют надежные акустические сигналы для измерения температуры океана, в том числе на глубинах ниже 2000 метров, что невозможно достичь другими методами. В случае подтверждения этот подход, опубликованный в журнале Science, может открыть совершенно новую систему наблюдений за океаном для понимания прошлых и будущих изменений климата, говорит Фредерик Саймонс, геофизик Принстонского университета, не связанный с исследованием. – Существует потенциальная сокровищница данных, ожидающих своего анализа.

Океаны поглощают более 90% энергии, производимой глобальным потеплением, и любое изменение скорости, с которой они поглощают тепло, будет иметь огромное влияние на скорость, с которой атмосфера нагревается. Два десятилетия назад роботизированные поплавки международной группы Argo начали отслеживать потепление океана на глубине около 2000 метров. Но группа поплавков, насчитывавшая теперь 4000, не могла исследовать большие объемы воды на больших глубинах. “Неспособность определить, что происходит на глубине, является главным препятствием для понимания океана и климата даже сегодня”, – говорит Карл Вунш, отставной океанограф из Массачусетского технологического института.

В 1979 году Вунш и Уолтер Мунк, океанограф из Института Океанографии Скриппса, который скончался в прошлом году, впервые предложили использовать звуковые волны для измерения тепла и структуры океана. Звук распространяется быстрее, чем вода становится горячее или плотнее, что делает время в пути надежным показателем температуры и плотности, если источник звука и приемник находятся в фиксированных местах.

Техника не требовала особо громких источников. На глубине около 1000 метров скорость звука достигает минимума, образуя проводящий канал между теплой водой вверху и плотной водой внизу. По словам Брюса Корнуэлла, океанографа Скриппса, работавшего с Мунком, этот волновод позволяет звуковым волнам проходить через целые океанские бассейны. – Это как если бы пятилетний ребенок свернул в тюбик бумагу и заорал на ухо своему брату.

Помимо исследования всей ширины океана, звуковые волны с вертикальными амплитудами в тысячи метров, захватывают условия от мелководья до больших глубин. В результате они усредняют естественные колебания температуры меньшего масштаба, выявляя изменения в масштабе бассейна лишь на несколько тысячных долей 1° в год. “Это значительно облегчает идентификацию сигнала глобального потепления”, – говорит Йорн Каллис, океанограф из Калифорнийского технологического института (Caltech) и соавтор нового исследования.

После демонстрации на острове Херд в 1991 году Мунк получил финансирование от Министерства обороны для проведения последующего эксперимента в Тихом океане под названием акустическая термометрия климата океана (ATOC). Но он увяз в споре из-за двух громкоговорителей размером с человека, установленных у берегов Гавайев и Калифорнии в основном месте обитания китов. “Это был политический кошмар”, – говорит Брайан Доучоу, океанограф в отставке из ATOC. Сигналы ATOC были не громче криков китов и движений кораблей, но большая часть его 35-миллионного бюджета пошла на исследования воздействия звука на морских млекопитающих.

Вмешивались и военные тайны. Для прослушивания сигналов в проекте использовались секретные морские гидрофоны, обычно используемые для обнаружения подводных лодок. Ученые даже не смогли опубликовать местоположение приемников, сказал Вунш. “Мы не сказали флоту, что если вы опубликуете сигнал, а мы это сделали, вы сможете выяснить, где находятся приемники”, – добавляет Вунш. Гавайский источник у берегов Кауаи просуществовал до 2006 года, предоставив данные о 10-летнем потеплении. Но к тому времени океанографы оставили акустическую термометрию позади и полагались на Argo, говорит Душоу.

Это было до тех пор, пока год назад Вэньбо Ву, сейсмолог из Калифорнийского технологического института, не понял, что повторяющиеся землетрясения в медленно ползущих разломах под морским дном могут обеспечить альтернативный источник звука. Когда землетрясения сотрясают океанское дно, часть энергии преобразуется в акустические волны. Вэньбо Ву и его соавторам просто нужно было найти правильный источник.

Их поиски привели их обратно в Индийский океан. В в своих записях они идентифицировали более 4000 землетрясений, вызванных разломами океанского дна к западу от Суматры в Индонезии с 2004 по 2016 год, многие из них магнитудой от 3,5 до 5. Проведя триангуляцию по источникам, команда определила места разломов менее 100 метрах. Кроме того, он неоднократно разрывался, говорит Сидао Ни, соавтор и сейсмолог из института геодезии и геофизики Китайской академии наук. В результате звуковые волны беспрепятственно проходили через океан до Диего-Гарсии, отдаленного атолла к югу от Индии, где они отражались от земли и снова превращались в сейсмические волны, захваченные сейсмометром острова.

Переведя время путешествия в температуру, Вэньбо Ву и его коллеги обнаружили, что восточная часть Индийского океана прогрелась до 0,044 ° C за десятилетие. Годовые колебания находились в хорошем диапазоне с измерениями Арго в то же самое время, но сигнал потепления был почти вдвое больше, чем зафиксированный буями Арго. Несоответствие говорит о том, что Арго не хватает данных, говорит Каллис, по крайней мере для этого бассейна за такой короткий промежуток времени. Около 40% тепловых измерений были проведены в воде ниже 2000 метров, что позволяет предположить, что некоторое потепление распространяется глубже в океан, за пределы досягаемости Арго.

Эта работа “очень необычна и многообещающа”, – говорит Сьюзен Вайфельс, глава Арго Океанографического института Вудс-Хоул. При глобальном подходе он мог бы обеспечить независимую проверку измерений Argo, особенно после внедрения новых поплавков Argo, которые могут опускаться до 6000 метров. В настоящее время насчитывается всего несколько десятков таких устройств, но их число растет. Еще более заманчивой для Вайфельса является возможность распространять тенденции глобального потепления назад во времени на Арго, обнаруживая повторители в старых сейсмических записях. “Какой это был бы подарок для климатического сообщества”, – говорит она.

Команда считает, что использование гидрофонов может более точно улавливать звуки землетрясений, чем использование наземных сейсмометров. Это позволит учитывать более слабые землетрясения, используя глобальную гидрофонную сеть, развернутую в рамках договора о всеобъемлющем запрете ядерных испытаний. Устройства смогут принимать сигналы от ретрансляторов через океаны.

Гидрофоны, размещенные под арктическими льдами, могут измерять температуру воды в районах, недоступных для поплавков “Арго”. В качестве источника звука можно даже использовать грохот обрушившегося льда в соседней Гренландии – ледниковые землетрясения, как их называют. “Это бесплатные данные”, – говорит Душоу. “Нет никаких сомнений, что кто-то внедрит систему, чтобы воспользоваться этим.

Читайте также: