Hon avkodar skalv från undervattensvulkaner (och Taylor Swift) | Quanta Magazine

Vi tänker ofta på vulkaner som skyskrapor underverk, men dessa portaler till den geologiska undre världen finns också under vattnet. Tyvärr är ubåtsvulkaner svårare att studera än sina syskon på land. Men du skulle vara hårt pressad att hitta någon som är mer förtrollad av dem - och mer envist besluten att studera dem - än Jackie Caplan-Auerbach.

En vulkanolog vid Western Washington University, Caplan-Auerbach är också en seismolog, någon som använder sig av jordbävningar för att förstå geofysik. Och det råkar vara så att aktiva vulkaner är fantastiska jordbävningsproducenter; de gör så mycket seismiskt ljud som de kan uppbåda. För Caplan-Auerbach är det bruset musik för hennes vetenskapliga öron - data som kan användas för att lära sig om vår planets interna funktion.

Att lyssna på dessa vulkaniska sånger handlar inte bara om att mätta en isolerad vetenskaplig nyfikenhet. När en ubåtsvulkan i södra Stilla havet döpte Hunga Tonga-Hunga Ha'apai katastrofalt exploderade i januari 2022, orsakade den en förödande regional tsunami, fick atmosfären att bulta som ytan på en trumma och begravde kungariket Tongas huvudö i aska. Caplan-Auerbach och hennes kollegor hoppas att de genom att studera ljudspåret av sådana våldsamma utbrott kan lära sig tillräckligt mycket om fysiken bakom paroxysmerna för att lindra effekterna av framtida vulkankatastrofer.

Quanta Magazine träffade Caplan-Auerbach för att diskutera hennes resa in i geofysik och hur det är att studera melodierna i dessa magmatiska berg. Intervjun har förtätats och redigerats för tydlighetens skull.

Hur beskriver du det du gör?

Jag studerar jordbävningarna som äger rum i vulkaniska system, som jag beskriver som vulkanens sånger. Jag har alltid älskat ljud. Och jag har alltid älskat resonans och stående vågor. Ett klassiskt exempel på stående vågor är när du tar en öl och blåser över toppen av flaskan, och det brummar — eller det är när du kör fingret på toppen av ditt vinglas, vilket är mer till min spritsmak, och glaset sjunger. Allt har ett brum som är förknippat med dess form och dess materialegenskaper, och vulkaner är inte annorlunda. Deras ledningar har hum.

Jag vet inte varför, men den vetenskapen har alltid tilltalat mig. Det var precis det jag älskade, och jag får göra det på vulkaner.

Du har talat med tidigare Quanta, för en berättelse om hur jordbävningar inuti vulkaner kan avslöja om smält sten ackumuleras på djupet eller rör sig mot ytan, vilket kanske leder till ett utbrott. Men hur spionerar man på undervattensvulkaner? 

Haven i allmänhet är svåra att studera. Du kan inte se särskilt långt; det är väldigt svårt att lägga ifrån sig instrument. Det är kallt. Det är högtryck. Det är salt. Saker korroderar och imploderar.

Om vi ​​vill övervaka undervattensvulkaner kan vi sätta instrument där ute. För det mesta tappar vi instrument överbord, inklusive seismometrar; sedan går vi bort, och sedan kommer vi tillbaka, hämtar instrumenten och ser vad som hände medan vi var borta. Men om vi vill få information i realtid måste vi vanligtvis göra det lägga ner en instrumenterad kabel, och kostnaderna är astronomiska.

Vilka typer av instrument kan du använda? 

Hydrofoner, eller mekaniska öron som lyssna till alla möjliga undervattensljud, är ett underbart verktyg. Det finns en zon ungefär en kilometer under vattnet där ljud fastnar. Om du har en hydrofon där kan den höra ljud från bokstavligen tusentals kilometers avstånd. Du kan ställa in en array som säger till dig, "Åh, det ljudet kommer härifrån, och det ljudet kommer därifrån." Du kan höra jordbävningar, du kan höra jordskred, du kan höra vulkanutbrott, du kan höra valar, du kan höra fartyg - Gud, fartyg är högljudda. Och du kan typ streama låtarna om vulkanisk aktivitet.

I en idealisk värld skulle du fortfarande ha dina seismometrar på själva vulkanen. Men bara en hydrofon kan berätta massor. Det har funnits hydrofoner i Tongaområdet flera gånger, och det är ett verktyg som jag skulle älska att använda mer.

Jag föreställer mig att, under eller ovanför vatten, är varje nytt utbrott som att höra en ny dialekt för första gången, en som behöver översättas.

Höger. När har vi ett bråte lavaflöde som närmar oss kusten, jämfört med när har vi ett mer flodliknande lavaflöde som dribbla in? Vi vet inte hur vi ska identifiera den här typen av saker först. Det är därför vetenskap är roligt. Det roliga är att säga: Jag vet inte, och hur kan jag ta reda på det?

Vad är det med ubåtsvulkaner som lurar dig?

De visar oss att det händer extraordinära saker under vattnet som vi inte ens vet om. Det får mig att känna att vi inte är så relevanta, vilket jag tycker är underbart. Den här planeten är inte här för oss. Den här planeten gör sina egna saker.

Finns det några utbrott eller jordbävningar som saknar detta känslomässiga dilemma?

Jag pratar om 2002 jordbävning i Denali som den perfekta jordbävningen: Den var enorm, den hade dessa fantastiska effekter, den svarade på många frågor om hur det där felet fungerar, men det dödade ingen. Det var denna händelse i nästan magnituden 8.0 som du verkligen kunde vara upphetsad över utan skuld.

Det är en annan trevlig sak med undervattensvulkaner. Med undantag för det här suget ute i Tonga, för det mesta, påverkas inte folk av dem.

Har du någonsin varit frestad att specialisera dig på något annat än undervattensvulkaner?

När jag gick till University of Hawai'i diskuterade jag mellan att göra marin geofysik och planetvetenskap. Jag tänkte, herregud, jag kunde studera Olympus Mons, den högsta vulkanen på Mars. Men under min andra termin åkte jag på en 28-dagars forskningskryssning i Lau Basin, i södra Stilla havet, och det signerade, förseglade och levererade marin geofysik. Jag bara älskar att vara på fartyg. Så jag tänkte på det där med planeten.

Även om de ofta är underbara, kan undervattensvulkaner ibland inspirera till skräck. Detta demonstrerades i januari 2022 av våldsmännen Hunga Tonga-Hunga Ha'apai-utbrottet - som trots att det började under vattnet gjorde sig känt genom att omedelbart explodera ovanför havsytan och slå ett hål i jordens atmosfär. Hur håller din fascination för vulkaner och jordbävningar inför dessa katastrofer?

Det är en av utmaningarna med att studera naturliga faror: Hur kan jag vara så upphetsad över vetenskapen och inte vara respektlös till de människor som påverkades negativt? Och det är verkligen svårt. När jag blir helt glad över dessa saker, kan det också bero på att jag ännu inte har arbetat på ett utbrott som var förödande.

Chockvågen från det tonganska utbrottet utlöste tsunamier på andra sidan jorden, i både Atlanten och Medelhavet - något som bara var en teoretisk möjlighet fram till den punkten, eller hur? 

Ja. Tonga-utbrottet bekräftade att tsunamier kan orsakas av atmosfäriska gravitationsvågor. Det är häpnadsväckande.

Vi är nästan två år efter den extraordinära sprängladdningen utbrott. Har forskning kring den händelsen drivit vetenskapen om vulkanologi framåt på något sätt?

Ja. Det mesta av vulkanen är ganska intakt, och det är galet. Och det som kom ut ur det - det utsända vulkaniska skräpet - reste så långt under vattnet. Med en stor och ovanlig händelse som denna tror jag att det både skriver om och omdirigerar våra frågor. Jag tror att det här utbrottet väcker frågor som vi kanske inte hade ställt tidigare. Framförallt, hur händer så mycket explosiv kraft utan att byggnaden sprängs i bitar?

Så även om framträdande utbrott kan vara farliga, är fördelen att de ger forskarna ledtrådar om hur vulkaner fungerar?

Höger. Ibland hittar vi dessa ledtrådar eftersom vi använder en annan teknik. Ibland hittar vi dem för att planeten ger oss en gåva. Och jag känner att utbrott som det här, till viss del - och med hänsyn till de människor som påverkas negativt - är vetenskapligt lite av en gåva.

I somras fångade din forskning uppmärksamheten hos en oväntad grupp: Swifties.  

Herregud. Jag ångrar inget av det.

Taylor Swift uppträdde på Lumen Field i Seattle den 22 och 23 juli, och du hade en titt på de seismiska vågorna som genererades av konserterna. Enligt din analys, producerade dessa prestationer mätbar seismisk aktivitet, precis som en liten jordbävning. Och det fick en hel del pressens uppmärksamhet. Hur var det?

Jag är inte längre personen som studerar vulkaner. Jag är personen som är känd för Swift Quake. Det är helt löjligt. Folk har frågat: Har Taylor Swift nått ut? Nej, Taylor Swift har inte nått ut. 

Ni är presenter ditt arbete med Swift Quake vid American Geophysical Unions sammankomst i San Francisco i december. Vad kommer du att avslöja?

Datan är så cool. Du kan identifiera enskilda låtar som "Blank Space" och "Shake It Off" genom att identifiera deras slag per minut - deras rytm - med en seismometer. Och vi kan faktiskt särskilja saker som förstärkt musik, eller bandet eller publikens beteende. De har verkligen distinkta, intressanta seismiska egenskaper.

Det skiljer sig inte så mycket från att identifiera olika typer av aktiviteter inne i undervattensvulkaner.

Höger. Olika vulkanskalvsrytmer motsvarar olika typer av vulkanisk aktivitet, från rörlig magma som spricker genom stenar till jordskred. Och det finns människor som verkligen är fascinerade av Swift Quake som inte är vetenskapsmän, och när det kommer till vetenskap är allt som fångar allmänhetens intresse fantastiskt. Det gör mig riktigt glad. 

Många människor tänker på en vulkanolog som någon som bestiger eldiga berg och tar prover av fast sten och bubblande lava. Men att använda jordbävningar för att "höra" magma, gaser och Swifties innebär mycket fysik också - och det låter som om du är fysiker i hjärtat. Så vad kom först för dig: vulkanerna eller fysiken?

Min far hade en medicinsk examen men älskade alltid astronomi. När vi besökte hans hus satt vi ute och han hade ett teleskop och vi pratade om stjärnorna. Jag älskade astronomi och astrofysik. I grunden älskade jag fysiken. Jag minns i min första års fysikklass där vi bokstavligen stod och hejade på en härledning.

Det låter lite som att se ett stort magiskt trick utföras. 

Det var! Det var två föreläsningar jag minns som var magiska. En bevisade att ljusets hastighet var konstant, att den inte var beroende av en referensram. Och det var helt magiskt att denna siffra faller ur matematiken. Och den andra var när vi härledde E = mc². Det var så coolt.

Alla verkar tro att vi kom till geologi för att vi älskade studiebesök. Men det som fick mig var denna härledning. Och ibland tycker jag att vi ska fira skönheten i det, för för vissa människor räcker det. Det är fängslande. Jag älskar att vara ute på fältet, och jag älskar att använda seismometrar och vara på fartyg. Men jag tycker att vi också ska fira skönheten som är fysik.