Dekoduje trzęsienia z podmorskich wulkanów (i Taylor Swift) | Magazyn Quanta

Często myślimy o wulkanach jako o cudach drapaczy chmur, ale te portale do podziemnego świata geologicznego również znajdują się pod wodą. Niestety, wulkany podwodne są trudniejsze do zbadania niż ich ziemskie odpowiedniki. Ale trudno byłoby znaleźć kogoś bardziej oczarowanego nimi – i bardziej uparcie zdeterminowanego, aby je studiować – niż Jackie Caplan-Auerbach.

Caplan-Auerbach, wulkanolog na Western Washington University, jest także sejsmologiem, który wykorzystuje drgania trzęsień ziemi do zrozumienia geofizyki. I tak się składa, że ​​aktywne wulkany powodują ogromne trzęsienia ziemi; wytwarzają tyle hałasu sejsmicznego, ile tylko mogą. Dla Caplan-Auerbach ten hałas jest muzyką dla jej naukowych uszu – danymi, które można wykorzystać do poznania wewnętrznego funkcjonowania naszej planety.

Słuchanie tych wulkanicznych piosenek nie polega tylko na zaspokojeniu izolowanej ciekawości naukowej. Kiedy podwodny wulkan na południowym Pacyfiku o nazwie Hunga Tonga-Hunga Ha'apai spowodował katastrofę eksplodował w styczniu 2022 r, wywołało niszczycielskie tsunami w regionie, spowodowało, że atmosfera zadygotała jak powierzchnia bębna i pogrzebało w popiele główną wyspę Królestwa Tonga. Caplan-Auerbach i jej współpracownicy mają nadzieję, że badając ścieżkę dźwiękową takich gwałtownych erupcji, dowiedzą się wystarczająco dużo o fizyce stojącej za napadami, aby złagodzić skutki przyszłych katastrof wulkanicznych.

Magazyn Quanta spotkała się z Caplan-Auerbach, aby omówić jej podróż w głąb geofizyki i to, jak to jest studiować melodie tych gór magmowych. Wywiad został skrócony i zredagowany dla przejrzystości.

Jak opisujesz to, co robisz?

Badam trzęsienia ziemi, które mają miejsce w systemach wulkanicznych, które opisuję jako pieśni wulkanu. Zawsze kochałem dźwięk. Zawsze kochałem rezonans i fale stojące. Klasycznym przykładem fal stojących jest sytuacja, gdy bierzesz piwo i dmuchasz na górną część butelki, a ona zaczyna szumieć – lub gdy przesuwasz palcem po kieliszku do wina, co bardziej odpowiada mojemu alkoholowemu gustowi, a kieliszek śpiewa. Wszystko ma szum związany z jego kształtem i właściwościami materialnymi, a wulkany nie są wyjątkiem. W ich przewodach słychać szum.

Nie wiem dlaczego, ale ta nauka zawsze bardzo mnie pociągała. To było dokładnie to, co kochałem i mogę to robić na wulkanach.

Ty z którym wcześniej rozmawiano Quanta, na historię o tym, jak trzęsienia ziemi wewnątrz wulkanów mogą ujawnić, czy stopiona skała gromadzi się na głębokości lub przemieszcza się w kierunku powierzchni, być może prowadząc do erupcji. Ale jak szpiegować podwodne wulkany? 

Ogólnie rzecz biorąc, oceany są trudne do zbadania. Nie widzisz zbyt daleko; bardzo trudno jest odłożyć instrumenty. Jest zimno. To wysokie ciśnienie. To jest słone. Rzeczy korodują i implodują.

Jeśli chcemy monitorować wulkany podmorskie, możemy umieścić tam instrumenty. W większości przypadków wyrzucamy za burtę instrumenty, w tym sejsmometry; potem odejdziemy, a potem wrócimy, odzyskamy instrumenty i zobaczymy, co się stało, gdy nas nie było. Jeśli jednak chcemy uzyskać informacje w czasie rzeczywistym, zazwyczaj musimy to zrobić położyć oprzyrządowany kabel, a koszty są astronomiczne.

Z jakich instrumentów możesz skorzystać? 

Hydrofony, czyli mechaniczne uszy słuchać do wszelkiego rodzaju podwodnych dźwięków, są wspaniałym narzędziem. Około kilometra pod wodą znajduje się strefa, w której dźwięk zostaje uwięziony. Jeśli masz tam hydrofon, usłyszysz dźwięki z odległości dosłownie tysięcy kilometrów. Możesz ustawić tablicę, która powie ci: „Och, ten dźwięk dochodzi stąd, a ten dźwięk pochodzi stamtąd”. Słychać trzęsienia ziemi, osuwiska ziemi, erupcje wulkanów, wieloryby, statki – Boże, statki są głośne. Możesz także przesyłać strumieniowo utwory o aktywności wulkanicznej.

W idealnym świecie sejsmometry nadal byłyby widoczne na samym wulkanie. Ale sam hydrofon może wiele powiedzieć. W rejonie Tonga kilkakrotnie używano hydrofonów i jest to narzędzie, z którego chciałbym częściej korzystać.

Wyobrażam sobie, że każda nowa erupcja pod wodą czy nad nią jest jak usłyszenie po raz pierwszy nowego dialektu, który wymaga przetłumaczenia.

Prawidłowy. Kiedy mamy do czynienia z gruzowym strumieniem lawy zbliżającym się do wybrzeża, a kiedy z napływającą lawą bardziej przypominającą rzekę? Na początku nie wiemy, jak rozpoznać takie rzeczy. Dlatego nauka jest zabawą. Najzabawniejsza część brzmi: nie wiem, a jak mogę się tego dowiedzieć?

Co cię urzeka podmorskich wulkanów?

Pokazują nam, że pod wodą dzieją się niezwykłe rzeczy, o których nawet nie mamy pojęcia. Mam wrażenie, że po prostu nie jesteśmy dla siebie aż tak ważni, co moim zdaniem jest cudowne. Ta planeta nie jest tu dla nas. Ta planeta robi swoje.

Czy są jakieś erupcje lub trzęsienia ziemi, którym brakuje tego emocjonalnego dylematu?

Mówię o Trzęsienie ziemi w Denali w 2002 roku jako idealne trzęsienie ziemi: było ogromne, miało niesamowite skutki, odpowiedziało na wiele pytań dotyczących działania tego uskoku, ale nikogo nie zabiło. Było to wydarzenie o sile prawie 8.0 magnitudo, którym można było naprawdę się ekscytować bez poczucia winy.

To kolejna fajna rzecz w podwodnych wulkanach. Z wyjątkiem tego frajera z Tonga, w większości nie mają one wpływu na ludzi.

Czy kiedykolwiek kusiło Cię, aby specjalizować się w czymś innym niż podwodne wulkany?

Kiedy studiowałem na Uniwersytecie Hawajskim, zastanawiałem się między zajmowaniem się geofizyką morską a naukami o planetach. Pomyślałem: o mój Boże, mógłbym zbadać Olympus Mons, najwyższy wulkan na Marsie. Jednak w drugim semestrze odbyłem 28-dniowy rejs badawczy po basenie Lau na południowym Pacyfiku, podczas którego podpisałem, opieczętowałem i dostarczyłem geofizykę morską. Po prostu uwielbiam przebywać na statkach. Więc pomyślałem, do cholery z tymi planetarnymi sprawami.

Choć często są cudowne, podwodne wulkany mogą czasem budzić grozę. Pokazali to w styczniu 2022 r. sprawcy przemocy Hunga Tonga – Hunga Ha"erupcja apai — która choć rozpoczęła się pod wodą, dała się poznać poprzez natychmiastową eksplozję nad powierzchnią morza i wybicie dziury w ziemskiej atmosferze. Jak Twoja fascynacja wulkanami i trzęsieniami ziemi sprawdza się w obliczu tych katastrof?

Oto jedno z wyzwań związanych z badaniem zagrożeń naturalnych: jak mogę być tak podekscytowany nauką i... nie okazuj braku szacunku osobom, na które wywarł to negatywny wpływ? I to jest naprawdę trudne. Kiedy bardzo się cieszę z tych rzeczy, może to być również spowodowane tym, że nie pracowałem jeszcze nad niszczycielską erupcją.

Fala uderzeniowa po erupcji w Tonga wywołał tsunami po drugiej stronie świata, zarówno na Oceanie Atlantyckim, jak i na Morzu Śródziemnym – coś, co do tej pory było tylko teoretyczną możliwością, prawda? 

Tak. Erupcja Tonga potwierdziła, że ​​tsunami może zostać wywołane przez atmosferyczne fale grawitacyjne. To zadziwiające.

Minęły prawie dwa lata od tego niezwykłego materiału wybuchowego wybuch. Czy badania nad tym wydarzeniem popchnęły w jakikolwiek sposób naukę wulkanologii do przodu?

Tak. Większość wulkanu jest całkiem nienaruszonei to jest szalone. A to, co z niego wyszło – wyrzucone gruzy wulkaniczne – rozpłynęło się jak dotąd pod wodą. Myślę, że takie duże i niezwykłe wydarzenie zarówno zmienia, jak i przekierowuje nasze pytania. Myślę, że ta erupcja rodzi pytania, których być może wcześniej nie zadawaliśmy. Przede wszystkim, w jaki sposób dochodzi do tak dużej wybuchowej mocy, bez rozwalania się budowli na kawałki?

Zatem chociaż wyraźne erupcje mogą być niebezpieczne, ich zaletą jest to, że dostarczają naukowcom wskazówek na temat działania wulkanów?

Prawidłowy. Czasami znajdujemy te wskazówki, ponieważ używamy innej technologii. Czasami je znajdujemy, ponieważ planeta oferuje nam dar. I czuję, że erupcje takie jak ta w pewnym stopniu – i w odniesieniu do ludzi, na które mają one negatywny wpływ – są z naukowego punktu widzenia darem.

Tego lata Twoje badania przykuły uwagę nieoczekiwanej grupy: jerzyków.  

O mój Boże. Niczego z tego nie żałuję.

Taylor Swift wystąpiła w Lumen Field w Seattle 22 i 23 lipca i można było zobaczyć fale sejsmiczne generowane podczas koncertów. Zgodnie z Twoim analizate występy spowodowały mierzalną aktywność sejsmiczną, podobnie jak małe trzęsienie ziemi. A wyszło sporo uwaga prasy. Jak to było?

Nie jestem już osobą badającą wulkany. Jestem osobą znaną z Swift Quake. To całkowicie śmieszne. Ludzie pytali: Czy Taylor Swift się skontaktowała? Nie, Taylor Swift nie skontaktowała się z nami. 

Jesteś przedstawianie pańską pracę nad szybkim trzęsieniem ziemi podczas grudniowego zgromadzenia Amerykańskiej Unii Geofizycznej w San Francisco. Co będziesz odkrywać?

Dane są bardzo fajne. Możesz zidentyfikować poszczególne utwory, takie jak „Blank Space” i „Shake It Off”, identyfikując ich uderzenia na minutę – ich rytm – za pomocą sejsmometru. I rzeczywiście jesteśmy w stanie rozróżnić takie rzeczy jak wzmocniona muzyka, zespół czy zachowanie tłumu. Mają naprawdę wyraźne, interesujące właściwości sejsmiczne.

Nie różni się to zbytnio od identyfikowania różnych rodzajów aktywności wewnątrz podwodnych wulkanów.

Prawidłowy. Różne rytmy trzęsień wulkanów odpowiadają różnym typom aktywności wulkanicznej, od przemieszczającej się magmy pękającej przez skały po osuwiska. Są też ludzie, którzy są naprawdę zaintrygowani Szybkim trzęsieniem ziemi, a nie są naukowcami, a jeśli chodzi o naukę, wszystko, co przyciąga zainteresowanie opinii publicznej, jest wspaniałe. Bardzo mnie to cieszy. 

Wiele osób uważa wulkanologa za osobę, która wspina się na ogniste góry i pobiera próbki litej skały i bulgoczącej lawy. Ale wykorzystywanie trzęsień ziemi do „słyszenia” magmy, gazów i jerzyków wymaga również dużej dawki fizyki — i wygląda na to, że w głębi serca jesteś fizykiem. Co więc było dla ciebie pierwsze: wulkany czy fizyka?

Mój ojciec miał wykształcenie medyczne, ale zawsze kochał astronomię. Kiedy odwiedzaliśmy jego dom, siadaliśmy na zewnątrz, a on miał teleskop i rozmawialiśmy o gwiazdach. Kochałem astronomię i astrofizykę. Zasadniczo lubiłem fizykę. Pamiętam, jak na lekcjach fizyki na pierwszym roku dosłownie staliśmy i kibicowaliśmy wyprowadzeniu.

Brzmi to trochę jak oglądanie wykonywania wielkiej magicznej sztuczki. 

To było! Pamiętam, że były dwa wykłady, które były magiczne. Jednym z nich było udowodnienie, że prędkość światła jest stała i niezależna od układu odniesienia. I to było całkowicie magiczne, że ta liczba wypadła z matematyki. A drugi był wtedy, gdy wyprowadzaliśmy E = mc². To było takie fajne.

Wydaje się, że wszyscy myślą, że zajęliśmy się geologią, ponieważ uwielbialiśmy wycieczki terenowe. Ale to, co mnie zaintrygowało, to to wyprowadzenie. I czasami myślę, że powinniśmy celebrować piękno tego, bo niektórym ludziom to wystarczy. To jest urzekające. Uwielbiam być w terenie, uwielbiam używać sejsmometrów i przebywać na statkach. Ale myślę, że powinniśmy także celebrować piękno, jakim jest fizyka.