Jesteśmy przyzwyczajeni, że informacje na temat trzęsień ziemi zbierane są przez sejsmografy umieszczone na jej powierzchni. Ale drgania powierzchni ziemi są również w stanie wzbudzić fale infradźwiękowe, które mogą rozchodzić się w atmosferze na duże odległości (nie jest to jedyny rodzaj fal mogących rozchodzić się w atmosferze, ale w tej notce nie będziemy się tym zajmować).
W marcu b.r. w Raphael F. Garcia z Uniwersytetu w Tuluzie (wraz z czterema współautorami) opublikował w Geophysical Research Letters pracę pod tytułem: “GOCE: The first seismometer in orbit around the Earth”.
Satelita GOCE (Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer) został umieszczony na orbicie w roku 2009. Jego głównym zadaniem było przeprowadzenie bardzo dokładnych pomiarów grawitacyjnego pola Ziemi. Kołowa orbita satelity jest bardzo niska (270 km), na tej wysokości odczuwalny jest jeszcze wpływ bardzo rozrzedzonej, ale wciąż obecnej termosfery. Z drugiej strony obecność częściowo zjonizowanych gazów atmosferycznych jak i swobodnych elektronów pozwala nazwać obszar, w którym porusza się satelita, jonosferą. W dalszej części notki skupimy się jednak tylko na składowej neutralnej atmosfery ziemskiej. GOCE dysponował bardzo czułymi akcelerometrami, jak również był w stanie kompensować (przy pomocy silnika jonowego) opór atmosfery przez którą leciał satelita. Jest to ważne z dwóch zasadniczych powodów: utrzymania satelity na stabilnej, niezmiennej orbicie jak i zapewnienia niezakłóconych przez (nie tylko stały, ale i zmienny) opór atmosfery, pomiarów grawitacyjnego pola Ziemi – tak, aby ruch satelity można było traktować jako spadek swobodny w polu grawitacyjnym Ziemi. Zestaw sześciu trójosiowych akcelerometrów pozwalał na pomiar gradientu pola grawitacyjnego Ziemi – dzięki temu można było bardzo dokładnie wyznaczyć kształt geoidy ziemskiej jak również niejednorodności (anomalie) grawitacyjnego pola Ziemi. Używając danych z akcelerometrów i komputera sterującego silnikiem jonowym można było w szczególności wyznaczyć niegrawitacyjne siły związane z wertykalnym (pionowym) przyspieszeniem satelity jak i zmianami gęstości atmosfery wzdłuż orbity. Takich właśnie efektów oczekuje się przy przejściu fal infradźwiękowych w okolicach satelity.
11 marca 2011 roku w Japonii miało miejsce wielkie trzęsienie ziemi, któremu towarzyszyło potężne tsunami – wtedy właśnie uległa zniszczeniu elektrownia atomowa w Fukuszimie. Fale akustyczne wygenerowane przez to trzęsienie dotarły aż do wysokości orbity GOCE. Na rysunku przedstawiono związane z nimi zmiany gęstości atmosfery wzdłuż orbity satelity (około ±11%). Jednocześnie zarejestrowane wertykalne przyspieszenie satelity dosięgło wartości 1.35 x 10–7 m/s2. Stosunek przyspieszenia wertykalnego do zmian gęstości atmosfery wskazuje, że mamy rzeczywiście do czynienia z infradźwiękami.
Jednak żeby zobaczyć takie fale na dużych wysokościach musi być spełniony szereg warunków. Przede wszystkim satelita musi znajdować się poniżej 50° szerokości geomagnetycznej, gdyż w obszarach “polarnych” atmosfera jest zaburzona i fale dźwiękowe pochodzące z powierzchni Ziemi nie są widoczne. Fale winny propagować sie do góry (odchylenie od kierunku pionu mniejsze od około 6°), padające ukośnie zostają pochwycone wewnątrz falowodu, ścianki którego tworzą powierzchnia Ziemi i dolne warstwy atmosfery.
Za amplitudę fal odpowiadają dwa współzawodniczące ze sobą efekty: w obszarze 100-200 km nad powierzchnią Ziemi amplitudy rosną z wysokością (z powodu malejącej gęstości atmosfery) a z drugiej strony lepkość i przewodnictwo cieplne atmosfery są odpowiedzialne za tłumienie wspomnianych fal. Ostatecznym rezultatem jest coś w rodzaju filtracji fal infradźwiękowych filtrem dolnoprzepustowym – z tym, że im wyżej, tym niższe częstotliwości przechodzą. GOCE znajdował się nieco poniżej “najlepszej” wysokości do obserwacji wspomnianych fal, ocenianej na około 300 km nad powierzchnią Ziemi.
Oceny te są wynikiem symulacji numerycznych użytych również do interpretacji obserwacji GOCE. Autorzy komentując model opisujący propagacje fal infradźwiękowych do wysokości orbity GOCE stwierdzają, że jest on z konieczności uproszczony, nie bierze pod uwagę wiatrów w atmosferze jak i trójwymiarowych zmian prędkości fal sejsmicznych i dźwiękowych w atmosferze. Ich zdaniem warto jeszcze przeszukać dokładnie bazę danych GOCE – powinna ona zawierać więcej obserwacji przydatnych do analizy podobnej do zaprezentowanej w omawianej pracy. Wiadomo już, że w trakcie trzęsienia ziemi na Sumatrze 11 kwietnia 2012 roku front fali dotarł do satelity w zaburzonym obszarze polarnym, z kolei dla trzęsienia ziemi w Chile 27 lutego 2010 roku nie ma danych. Dla szeregu innych zdarzeń sygnał okazał się zbyt słaby, aby GOCE mógł go zarejestrować.
Czytaj więcej:
- Artykuł: Raphael F. Garcia i in. “GOCE: The first seismometer in orbit around the Earth”, Geophysical Research Letters, vol. 40, 5, 1015
Źródło: Roman Schreiber
Na zdjęciu: Fale infradźwiękowe wygenerowane w atmosferze przez silne trzęsienie ziemi (Tohoku), które nawiedziło Japonię 11 marca 2011 roku, zostały zarejestrowane przez satelite GOCE na wysokości 270 km nad powierzchnią Ziemi. Widoczne są zmiany gęstości atmosfery z czasem mierzone wzdłuż orbity satelity. Źródło: ESA/IRAP/CNES/TU Delft/HTG/Planetary Visions
(Tekst ukazał się pierwotnie w serwisie Orion, którego zasoby zostały włączone do portalu Urania)
