Hun avkoder skjelv fra undersjøiske vulkaner (og Taylor Swift) | Quanta Magazine

Vi tenker ofte på vulkaner som skyskraping vidunder, men disse portalene til den geologiske underverdenen ligger også under vann. Dessverre er undersjøiske vulkaner vanskeligere å studere enn sine landsøsken. Men du ville bli hardt presset for å finne noen som er mer trollbundet av dem - og mer sta fast bestemt på å studere dem - enn Jackie Caplan-Auerbach.

En vulkanolog ved Western Washington University, Caplan-Auerbach, er også en seismolog, en som bruker jiggles av jordskjelv for å forstå geofysikk. Og det er tilfeldigvis at aktive vulkaner er enorme jordskjelvprodusenter; de lager så mye seismisk støy som de kan. For Caplan-Auerbach er den støyen musikk for hennes vitenskapelige ører - data som kan brukes til å lære om planetens indre virkemåte.

Å lytte til disse vulkanske sangene handler ikke bare om å mette en isolert vitenskapelig nysgjerrighet. Da en ubåtvulkan i det sørlige Stillehavet kalte Hunga Tonga-Hunga Ha'apai katastrofalt eksploderte i januar 2022, produserte den en ødeleggende regional tsunami, fikk atmosfæren til å dundre som overflaten på en tromme, og begravde kongeriket Tongas hovedøy i aske. Caplan-Auerbach og hennes kolleger håper at de ved å studere lydsporet til slike voldsomme utbrudd kan lære nok om fysikken bak paroksysmene til å lette virkningene av fremtidige vulkankatastrofer.

Quanta Magazine tok en prat med Caplan-Auerbach for å diskutere hennes reise inn i geofysikk og hvordan det er å studere melodiene til disse magmatiske fjellene. Intervjuet er komprimert og redigert for klarhet.

Hvordan beskriver du det du gjør?

Jeg studerer jordskjelvene som finner sted i vulkanske systemer, som jeg beskriver som vulkanens sanger. Jeg har alltid elsket lyd. Og jeg har alltid elsket resonans og stående bølger. Et klassisk eksempel på stående bølger er når du tar en øl og blåser over toppen av flasken, og det nynner - eller det er når du kjører fingeren på toppen av vinglasset ditt, noe som er mer til min spritsmak, og glasset synger. Alt har en summing som er assosiert med formen og dens materialegenskaper, og vulkaner er ikke annerledes. Ledningene deres har summing.

Jeg vet ikke hvorfor, men den vitenskapen har alltid appellert til meg. Det var akkurat det jeg elsket, og jeg får gjøre det på vulkaner.

du har tidligere snakket med Quanta, for en historie om hvordan jordskjelv inne i vulkaner kan avsløre om smeltet stein samler seg på dypet eller beveger seg mot overflaten, noe som kanskje fører til et utbrudd. Men hvordan spionerer du på undervannsvulkaner? 

Havet generelt er vanskelig å studere. Du kan ikke se så langt; det er veldig vanskelig å legge fra seg instrumenter. Det er kaldt. Det er høytrykk. Det er salt. Ting korroderer og imploderer.

Hvis vi ønsker å overvåke undersjøiske vulkaner, kan vi sette instrumenter der ute. Mesteparten av tiden slipper vi instrumenter over bord, inkludert seismometre; så går vi bort, og så kommer vi tilbake, henter instrumentene og ser hva som skjedde mens vi var borte. Men hvis vi ønsker å få informasjon i sanntid, må vi vanligvis legge ned en instrumentert kabel, og kostnadene er astronomiske.

Hva slags instrumenter kan du bruke? 

Hydrofoner, eller mekaniske ører som lytte til alle slags undervannsstøy, er et fantastisk verktøy. Det er en sone omtrent en kilometer under vann hvor lyden blir fanget. Hvis du har en hydrofon der, kan den høre lyder fra bokstavelig talt tusenvis av kilometer unna. Du kan sette opp en matrise som forteller deg: 'Å, den lyden kommer herfra, og den lyden kommer derfra.' Du kan høre jordskjelv, du kan høre jordskred, du kan høre vulkanutbrudd, du kan høre hvaler, du kan høre skip - Gud, skip er høylytte. Og du kan på en måte streame sangene om vulkansk aktivitet.

I en ideell verden ville du fortsatt ha seismometre på selve vulkanen. Men bare en hydrofon kan fortelle deg massevis. Det har vært utplassert hydrofoner i Tonga-området flere ganger, og det er et verktøy jeg gjerne vil bruke mer.

Jeg forestiller meg at, under eller over vann, er hvert nytt utbrudd som å høre en ny dialekt for første gang, en som må oversettes.

Ikke sant. Når har vi en steinsprut lavastrøm som nærmer oss kysten, kontra når har vi en mer elveaktig lavastrøm som dribler inn? Vi vet ikke hvordan vi skal identifisere denne typen ting med det første. Det er derfor vitenskap er morsomt. Den morsomme delen er å si: Jeg vet ikke, og hvordan kan jeg finne det ut?

Hva er det med undersjøiske vulkaner som lokker deg?

De viser oss at det er ekstraordinære ting som skjer under vann som vi ikke engang vet om. Det får meg til å føle at vi bare ikke er så relevante, noe jeg synes er litt fantastisk. Denne planeten er ikke her for oss. Denne planeten gjør sine egne ting.

Er det noen utbrudd eller jordskjelv som mangler dette følelsesmessige dilemmaet?

Jeg snakker om Denali jordskjelv i 2002 som det perfekte jordskjelvet: Det var enormt, det hadde disse fantastiske virkningene, det svarte på mange spørsmål om hvordan den feilen fungerer, men den drepte ingen. Det var denne hendelsen på nesten 8.0 du virkelig kunne glede deg over uten skyldfølelse.

Det er en annen fin ting med undersjøiske vulkaner. Med unntak av denne sugeren ute i Tonga, er folk for det meste ikke påvirket av dem.

Har du noen gang blitt fristet til å spesialisere deg på noe annet enn undervannsvulkaner?

Da jeg gikk på University of Hawai'i, diskuterte jeg mellom å gjøre marin geofysikk og planetarisk vitenskap. Jeg tenkte, herregud, jeg kunne studere Olympus Mons, den høyeste vulkanen på Mars. Men i mitt andre semester dro jeg på et 28-dagers forskningscruise i Lau-bassenget i Sør-Stillehavet, og det signerte, forseglet og leverte marin geofysikk. Jeg bare elsker å være på skip. Så jeg var sånn for pokker med de planetariske greiene.

Selv om de ofte er fantastiske, kan undervannsvulkaner noen ganger inspirere til gru. Dette ble demonstrert i januar 2022 av voldsmennene Hunga Tonga-Hunga Ha'apai-utbruddet - som, selv om det begynte under vann, gjorde seg kjent ved umiddelbart å eksplodere over havoverflaten og slå et hull i jordens atmosfære. Hvordan holder din fascinasjon for vulkaner og jordskjelv opp i møte med disse katastrofene?

Det er en av utfordringene med å studere naturfarer: Hvordan kan jeg være så begeistret for vitenskapen og ikke være respektløs til menneskene som ble negativt påvirket? Og det er veldig vanskelig. Når jeg blir glad over disse tingene, kan det også være fordi jeg ennå ikke har jobbet med et utbrudd som var ødeleggende.

Sjokkbølgen fra det tonganske utbruddet utløste tsunamier på den andre siden av verden, i både Atlanterhavet og Middelhavet - noe som bare var en teoretisk mulighet frem til da, ikke sant? 

Ja. Tonga-utbruddet bekreftet at tsunamier kan forårsakes av atmosfæriske gravitasjonsbølger. Det er oppsiktsvekkende.

Vi er nesten to år etter det ekstraordinære eksplosivet utbrudd. Har forskning på den hendelsen presset vitenskapen om vulkanologi fremover på noen måte?

Ja. Det meste av vulkanen er ganske intakt, og det er galskap. Og tingene som kom ut av det - det utslyngede vulkanske rusk - reiste så langt under vann. Med en stor og uvanlig begivenhet som dette, tror jeg det både omskriver og omdirigerer spørsmålene våre. Jeg tror dette utbruddet bringer opp spørsmål som vi kanskje ikke hadde stilt før. Hovedsakelig, hvordan skjer så mye eksplosiv kraft uten at bygningen sprenger seg selv i biter?

Så selv om fremtredende utbrudd kan være farlige, er fordelen at de gir forskere ledetråder om måten vulkaner fungerer på?

Ikke sant. Noen ganger finner vi disse ledetrådene fordi vi bruker en annen teknologi. Noen ganger finner vi dem fordi planeten tilbyr oss en gave. Og jeg føler at utbrudd som dette, til en viss grad - og med hensyn til menneskene som er negativt påvirket - er vitenskapelig litt av en gave.

I sommer fanget forskningen din oppmerksomheten til en uventet gruppe: Swifties.  

Herregud. Jeg angrer ikke på noe av det.

Taylor Swift opptrådte på Lumen Field i Seattle 22. og 23. juli, og du tok en titt på de seismiske bølgene som ble generert av konsertene. I følge din analyse, produserte disse ytelsene målbar seismisk aktivitet, akkurat som et lite jordskjelv. Og det ble mye av presse oppmerksomhet. Hvordan var det?

Ikke lenger er jeg personen som studerer vulkaner. Jeg er personen som er kjent for Swift Quake. Det er helt latterlig. Folk har spurt: Har Taylor Swift nådd ut? Nei, Taylor Swift har ikke nådd ut. 

Du er presentere arbeidet ditt med Swift Quake på American Geophysical Unions samling i San Francisco i desember. Hva vil du avsløre?

Dataene er så kule. Du kan identifisere individuelle sanger som «Blank Space» og «Shake It Off» ved å identifisere slagene per minutt – deres rytme – ved hjelp av et seismometer. Og vi er faktisk i stand til å skille mellom ting som forsterket musikk, eller bandet, eller publikumsatferden. De har virkelig distinkte, interessante seismiske egenskaper.

Det er ikke så forskjellig fra å identifisere ulike typer aktivitet inne i undervannsvulkaner.

Ikke sant. Ulike vulkanskjelvrytmer tilsvarer ulike typer vulkansk aktivitet, fra bevegelig magma som sprekker gjennom steiner til jordskred. Og det er mennesker som virkelig er fascinert av Swift Quake som ikke er forskere, og når det kommer til vitenskap, er alt som fanger publikums interesse flott. Det gjør meg virkelig glad. 

Mange tenker på en vulkanolog som en som bestiger brennende fjell og tar prøver av fast stein og boblende lava. Men å bruke jordskjelv for å "høre" magma, gasser og Swifties innebærer mye fysikk også - og det høres ut som om du er en fysiker i hjertet. Så, hva kom først for deg: vulkanene eller fysikken?

Faren min hadde en medisinsk grad, men har alltid elsket astronomi. Når vi besøkte huset hans, satt vi ute, og han hadde et teleskop, og vi snakket om stjernene. Jeg elsket astronomi og astrofysikk. I bunn og grunn elsket jeg fysikken. Jeg husker i min førsteårs fysikktime hvor vi bokstavelig talt sto og heiet på en avledning.

Det høres litt ut som å se et stort magisk triks bli utført. 

Det var! Det var to forelesninger jeg husker som var magiske. Den ene beviste at lyshastigheten var konstant, at den ikke var avhengig av en referanseramme. Og det var helt magisk at dette tallet faller ut av regnestykket. Og den andre var da vi avledet E = mc². Det var så kult.

Alle ser ut til å tro at vi kom til geologi fordi vi elsket feltturer. Men det som fikk meg var den avledningen. Og noen ganger tror jeg at vi bør feire det fine med det, for for noen mennesker er det nok. Det er fengslende. Jeg elsker å være ute i felten, og jeg elsker å bruke seismometre og være på skip. Men jeg tror vi også bør feire skjønnheten som er fysikk.