Sie entschlüsselt Beben von Unterwasservulkanen (und Taylor Swift) | Quanta-Magazin

Wir stellen uns Vulkane oft als Wunderwerke der Wolkenkratzer vor, aber diese Tore zur geologischen Unterwelt befinden sich auch unter Wasser. Leider sind Unterwasservulkane schwieriger zu untersuchen als ihre terrestrischen Geschwister. Aber Sie werden kaum jemanden finden, der von ihnen mehr fasziniert ist – und hartnäckiger entschlossen ist, sie zu studieren – als Jackie Caplan-Auerbach.

Als Vulkanologe an der Western Washington University ist Caplan-Auerbach auch Seismologe, jemand, der die Erschütterungen von Erdbeben nutzt, um die Geophysik zu verstehen. Und es ist einfach so, dass aktive Vulkane enorme Erdbebenerzeuger sind; Sie machen so viel seismischen Lärm, wie sie aufbringen können. Für Caplan-Auerbach ist dieser Lärm Musik in ihren wissenschaftlichen Ohren – Daten, die genutzt werden können, um mehr über die inneren Abläufe unseres Planeten zu erfahren.

Beim Anhören dieser vulkanischen Lieder geht es nicht nur darum, eine isolierte wissenschaftliche Neugier zu befriedigen. Als im Südpazifik ein U-Boot-Vulkan namens Hunga Tonga-Hunga Ha'apai ausbrach, kam es zu einer Katastrophe explodierte im Januar 2022, verursachte es einen verheerenden regionalen Tsunami, ließ die Atmosphäre wie die Oberfläche einer Trommel vibrieren und begrub die Hauptinsel des Königreichs Tonga in Asche. Caplan-Auerbach und ihre Kollegen hoffen, dass sie durch die Untersuchung des Soundtracks solch heftiger Eruptionen genug über die Physik hinter den Anfällen erfahren können, um die Auswirkungen künftiger Vulkankatastrophen abzumildern.

Quanta Magazine hat sich mit Caplan-Auerbach getroffen, um über ihre Reise in die Geophysik und darüber zu sprechen, wie es ist, die Melodien dieser magmatischen Berge zu studieren. Das Interview wurde aus Gründen der Klarheit gekürzt und bearbeitet.

Wie beschreiben Sie, was Sie tun?

Ich untersuche die Erdbeben, die in Vulkansystemen auftreten, die ich als die Gesänge des Vulkans beschreibe. Ich habe Klang schon immer geliebt. Und ich habe Resonanz und stehende Wellen schon immer geliebt. Ein klassisches Beispiel für stehende Wellen ist, wenn man ein Bier nimmt und über den Flaschenrand bläst und es summt – oder wenn man mit dem Finger über den Deckel des Weinglases fährt, was eher meinem Alkoholgeschmack entspricht, und über das Glas singt. Alles hat ein Summen, das mit seiner Form und seinen Materialeigenschaften verbunden ist, und Vulkane sind da nicht anders. Ihre Leitungen brummen.

Ich weiß nicht warum, aber diese Wissenschaft hat mich schon immer sehr gereizt. Das war genau das, was ich geliebt habe, und ich darf es auf Vulkanen machen.

Du hast zuvor mit gesprochen Wie viel, für eine Geschichte darüber, wie Erdbeben in Vulkanen Aufschluss darüber geben können, ob sich geschmolzenes Gestein in der Tiefe ansammelt oder sich zur Oberfläche bewegt, was möglicherweise zu einem Ausbruch führt. Aber wie kann man Unterwasservulkane ausspionieren? 

Die Ozeane im Allgemeinen sind schwer zu untersuchen. Man kann nicht sehr weit sehen; Es ist sehr schwierig, Instrumente abzulegen. Es ist kalt. Es herrscht Hochdruck. Es ist salzig. Dinge korrodieren und implodieren.

Wenn wir U-Boot-Vulkane überwachen wollen, können wir dort Instrumente einsetzen. Meistens lassen wir Instrumente über Bord fallen, darunter auch Seismometer; dann gehen wir weg, und dann kommen wir zurück, holen die Instrumente und sehen, was passiert ist, während wir weg waren. Wenn wir jedoch Informationen in Echtzeit erhalten möchten, müssen wir dies normalerweise tun Legen Sie ein instrumentiertes Kabel ab, und die Kosten sind astronomisch.

Welche Arten von Instrumenten können Sie verwenden? 

Hydrophone oder mechanische Ohren hören zu allen Arten von Unterwassergeräuschen, sind ein wunderbares Werkzeug. Etwa einen Kilometer unter Wasser gibt es eine Zone, in der Schall eingeschlossen wird. Wenn Sie dort ein Hydrophon haben, kann es Geräusche aus buchstäblich Tausenden von Kilometern Entfernung hören. Sie können ein Array einrichten, das Ihnen sagt: „Oh, dieser Ton kommt von hier und dieser Ton kommt von dort.“ Man kann Erdbeben hören, man kann Erdrutsche hören, man kann Vulkanausbrüche hören, man kann Wale hören, man kann Schiffe hören – Gott, Schiffe sind laut. Und Sie können die Lieder der vulkanischen Aktivität gewissermaßen streamen.

In einer idealen Welt hätten Sie Ihre Seismometer immer noch auf dem Vulkan selbst. Aber allein ein Hydrophon kann Ihnen eine Menge sagen. Im Tonga-Gebiet wurden bereits mehrfach Hydrophone eingesetzt, und ich würde dieses Werkzeug gerne öfter nutzen.

Ich stelle mir vor, dass jeder neue Ausbruch unter oder über Wasser so ist, als würde man zum ersten Mal einen neuen Dialekt hören, der übersetzt werden muss.

Rechts. Wann nähert sich ein Lavastrom aus Geröll der Küste und wann rinnt ein eher flussähnlicher Lavastrom an die Küste? Wir wissen zunächst nicht, wie wir solche Dinge identifizieren können. Deshalb macht Wissenschaft Spaß. Der lustige Teil ist zu sagen: Ich weiß es nicht, und wie kann ich es herausfinden?

Was fasziniert Sie an Unterwasservulkanen?

Sie zeigen uns, dass unter Wasser außergewöhnliche Dinge passieren, von denen wir nicht einmal wissen. Ich habe das Gefühl, dass wir einfach nicht so relevant sind, was ich irgendwie wunderbar finde. Dieser Planet ist nicht für uns da. Dieser Planet macht seine eigenen Dinge.

Gibt es Ausbrüche oder Erdbeben, bei denen dieses emotionale Dilemma fehlt?

Ich rede darüber 2002 Denali-Erdbeben als das perfekte Erdbeben: Es war riesig, es hatte diese erstaunlichen Auswirkungen, es beantwortete viele Fragen darüber, wie diese Verwerfung funktioniert, aber es tötete niemanden. Es war dieses Ereignis mit einer Stärke von fast 8.0, auf das man sich ohne schlechtes Gewissen wirklich freuen konnte.

Das ist eine weitere schöne Sache an Unterwasservulkanen. Mit Ausnahme dieses Idioten in Tonga sind die meisten Menschen davon nicht betroffen.

Waren Sie jemals versucht, sich auf etwas anderes als Unterwasservulkane zu spezialisieren?

Als ich an die Universität von Hawaii ging, überlegte ich, ob ich Meeresgeophysik oder Planetenwissenschaften studieren sollte. Ich dachte, oh mein Gott, ich könnte Olympus Mons studieren, den höchsten Vulkan auf dem Mars. Aber in meinem zweiten Semester unternahm ich eine 28-tägige Forschungskreuzfahrt im Lau-Becken im Südpazifik, auf der ich Meeresgeophysik unterzeichnete, besiegelte und lieferte. Ich liebe es einfach, auf Schiffen zu sein. Also dachte ich mir, ich solle mich mit diesem Planetenkram befassen.

Obwohl sie oft wundersam sind, können Unterwasservulkane manchmal Schrecken hervorrufen. Dies wurde im Januar 2022 durch Gewalttaten demonstriert Hunga Tonga-Hunga Ha'Apai-Ausbruch – der, obwohl er unter Wasser begann, sich dadurch bemerkbar machte, dass er sofort über der Meeresoberfläche explodierte und ein Loch in die Erdatmosphäre schlug. Wie hält sich Ihre Faszination für Vulkane und Erdbeben angesichts dieser Katastrophen?

Das ist eine der Herausforderungen bei der Erforschung von Naturgefahren: Wie kann ich mich so für die Wissenschaft begeistern? Sei nicht respektlos an die Menschen, die negativ betroffen waren? Und das ist wirklich schwer. Wenn ich mich über diese Dinge so sehr freue, kann das auch daran liegen, dass ich noch nicht an einem verheerenden Ausbruch gearbeitet habe.

Die Schockwelle des Tonga-Ausbruchs Tsunamis ausgelöst auf der anderen Seite der Welt, sowohl im Atlantik als auch im Mittelmeer – etwas, das bis dahin nur eine theoretische Möglichkeit war, oder? 

Ja. Der Tonga-Ausbruch bestätigte, dass Tsunamis verursacht werden können durch atmosphärische Schwerewellen. Das ist umwerfend.

Wir sind fast zwei Jahre von diesem außergewöhnlichen Sprengstoff entfernt Eruption. Hat die Erforschung dieses Ereignisses die Wissenschaft der Vulkanologie in irgendeiner Weise vorangebracht?

Ja. Der größte Teil des Vulkans ist ziemlich intakt, und das ist verrückt. Und das Material, das dabei herauskam – die ausgeworfenen vulkanischen Trümmer – reiste weiter bisher unter Wasser. Bei einem großen und ungewöhnlichen Ereignis wie diesem denke ich, dass es unsere Fragen sowohl umschreibt als auch in eine andere Richtung lenkt. Ich denke, dieser Ausbruch wirft Fragen auf, die wir vielleicht noch nie zuvor gestellt hatten. Vor allem: Wie entsteht so viel Sprengkraft, ohne dass das Gebäude selbst in Stücke sprengt?

Obwohl markante Ausbrüche gefährlich sein können, besteht der Vorteil darin, dass sie Wissenschaftlern Hinweise auf die Funktionsweise von Vulkanen geben?

Rechts. Manchmal finden wir diese Hinweise, weil wir eine andere Technologie verwenden. Manchmal finden wir sie, weil der Planet uns ein Geschenk macht. Und ich habe das Gefühl, dass Ausbrüche wie dieser in gewisser Weise – und im Hinblick auf die Menschen, die negativ betroffen sind – wissenschaftlich gesehen eine Art Geschenk sind.

Diesen Sommer erregte Ihre Forschung die Aufmerksamkeit einer unerwarteten Gruppe: Swifties.  

Ach du lieber Gott. Ich bereue nichts davon.

Taylor Swift trat am 22. und 23. Juli im Lumen Field in Seattle auf und Sie konnten einen Blick auf die seismischen Wellen werfen, die durch die Konzerte erzeugt wurden. Entsprechend deinem AnalyseDiese Aufführungen führten zu messbarer seismischer Aktivität, genau wie bei einem kleinen Erdbeben. Und davon hat es einiges gegeben Aufmerksamkeit erregen. Wie war das?

Ich bin nicht länger die Person, die Vulkane studiert. Ich bin die Person, die für das Swift Quake bekannt ist. Es ist total lächerlich. Die Leute haben gefragt: Hat Taylor Swift Kontakt aufgenommen? Nein, Taylor Swift hat sich nicht gemeldet. 

Du bist präsentiert Ihre Arbeit zum Swift-Beben beim Treffen der American Geophysical Union in San Francisco im Dezember. Was werden Sie verraten?

Die Daten sind so cool. Sie können einzelne Songs wie „Blank Space“ und „Shake It Off“ identifizieren, indem Sie ihre Schläge pro Minute – ihren Rhythmus – mithilfe eines Seismometers bestimmen. Und wir sind tatsächlich in der Lage, Dinge wie verstärkte Musik, die Band oder das Verhalten der Menge zu unterscheiden. Sie haben wirklich unterschiedliche, interessante seismische Eigenschaften.

Das unterscheidet sich nicht so sehr von der Identifizierung verschiedener Arten von Aktivitäten in Unterwasservulkanen.

Rechts. Unterschiedliche Vulkanbebenrhythmen entsprechen unterschiedlichen Arten vulkanischer Aktivität, von der Bewegung von Magma, das durch Felsen bricht, bis hin zu Erdrutschen. Und es gibt Leute, die vom Swift Quake wirklich fasziniert sind und keine Wissenschaftler sind, und wenn es um Wissenschaft geht, ist alles großartig, was das Interesse der Öffentlichkeit weckt. Es macht mich wirklich glücklich. 

Viele Menschen stellen sich einen Vulkanologen als jemanden vor, der feurige Berge erklimmt und Proben von festem Gestein und sprudelnder Lava nimmt. Aber die Nutzung von Erdbeben zum „Hören“ von Magma, Gasen und Swifties erfordert auch viel Physik – und es klingt, als wären Sie im Herzen ein Physiker. Was war für Sie also zuerst da: die Vulkane oder die Physik?

Mein Vater hatte einen Abschluss in Medizin, liebte aber schon immer die Astronomie. Wenn wir sein Haus besuchten, saßen wir draußen, er hatte ein Teleskop und sprachen über die Sterne. Ich liebte Astronomie und Astrophysik. Grundsätzlich hat mir die Physik gefallen. Ich erinnere mich an meinen Physikunterricht im ersten Jahr, als wir buchstäblich dastanden und einer Ableitung zujubelten.

Es klingt ein bisschen so, als würde man einem großen Zaubertrick zusehen. 

Es war! Ich erinnere mich an zwei Vorträge, die magisch waren. Einer bewies, dass die Lichtgeschwindigkeit konstant war und nicht von einem Referenzsystem abhängig war. Und es war völlig magisch, dass diese Zahl aus der Berechnung herausfällt. Und das andere war, als wir abgeleitet haben E = mc². Es war so cool.

Jeder scheint zu glauben, wir seien zur Geologie gekommen, weil wir Exkursionen liebten. Aber was mich faszinierte, war diese Ableitung. Und manchmal denke ich, wir sollten die Schönheit davon feiern, denn für manche Menschen reicht das aus. Das ist fesselnd. Ich liebe es, draußen auf dem Feld zu sein, und ich liebe es, Seismometer zu benutzen und auf Schiffen zu sein. Aber ich denke, wir sollten auch die Schönheit der Physik feiern.