Tlaková vlna vytvořená hromem narazí do zemského povrchu a část své energie předá horninám. Země se na okamžik nepatrně zachvěje. Člověk tento pohyb necítí, ale dostatečně citlivé přístroje jej dokážou zachytit jako seismickou vlnu vyvolanou bouřkou – takzvaný thunderquake.
Vědci o těchto „hromových zemětřeseních“ vědí už několik let. Tým z Pennsylvania State University ale nyní ukázal něco podstatně zajímavějšího. Hromové otřesy nemusíme jen měřit. Můžeme je využít jako zdroj energie pro zobrazení toho, co se skrývá pod zemí.
Výzkumníci analyzovali dva a půl roku dat z běžného telekomunikačního optického kabelu pod univerzitním kampusem, identifikovali stovky kvalitních thunderquakes a z jejich průchodu podložím vytvořili obraz geologických struktur do hloubky přibližně 100 metrů.Bouřka se tím v určitém smyslu změnila v přírodní seismický skener.
Zemětřesení nám dovolují vidět dovnitř Země
Přímo do hlubšího podloží se většinou podívat nemůžeme. Geologové proto využívají stejný princip, který funguje například při ultrazvukovém vyšetření těla: vyšlou nebo zachytí vlnu a sledují, jak se při průchodu různými materiály mění její rychlost a směr. V geofyzice tuto úlohu plní seismické vlny.
Tvrdou kompaktní horninou se šíří jinak než měkkými sedimenty, rozpraskanou horninou, vodou nasycenou vrstvou nebo dutinou. Pokud máme dostatek měření z různých směrů, můžeme z nich matematicky rekonstruovat trojrozměrné vlastnosti podzemí. Tomuto postupu se říká seismická tomografie.
Velká zemětřesení například dovolila vědcům odvodit strukturu zemského pláště a jádra. Při podrobnějším průzkumu menších hloubek ale mohou geofyzici použít také řízené vibrace, výbuchy, těžká vibrační vozidla nebo běžný okolní hluk. Všechny tyto metody mají jednu společnou potřebu: něco musí zemí zatřást. A právě zde přichází bouřka.
Hrom je tlaková vlna. Když udeří do povrchu, část energie pokračuje zemí
Blesk během okamžiku prudce zahřeje okolní vzduch. Ten se rychle rozpíná a vytvoří tlakovou vlnu, kterou slyšíme jako hrom. Když tato akustická vlna dorazí k zemskému povrchu, část její energie se odrazí zpět do atmosféry. Část ale pronikne do země. Vzniknou velmi slabé povrchové seismické vlny.
Právě tento jev výzkumníci z Penn State začali detailně sledovat už před několika lety. V roce 2019 ukázali, že běžné podzemní optické kabely dokážou zachytit otřesy půdy způsobené hromem, a pozdější práce popsaly celé vlnové pole vznikající při bouřkách.
Tehdy šlo především o otázku: Dokážeme thunderquake vůbec spolehlivě zaznamenat a pochopit? Nová studie položila další: Dokážeme z něj získat obraz podzemí? Odpověď zní ano.
Internetový kabel se změnil v tisíce seismometrů
Nejpůsobivější část experimentu možná neleží v samotném hromu, ale v přístroji, který jej poslouchal. Výzkumníci nemuseli po celém kampusu rozmístit stovky klasických seismometrů. Použili existující přibližně 2,5 míle, tedy čtyři kilometry dlouhý telekomunikační optický kabel, zakopaný jen několik stop pod povrchem.
Na jeden jeho konec připojili zařízení, které do vlákna vysílá laserové pulzy. Část světla se při cestě vláknem nepatrně rozptyluje zpět. Pokud se kabel protáhne nebo stlačí třeba o nepatrný zlomek své délky, změní se vlastnosti tohoto zpětně rozptýleného světla.
Technologie označovaná jako distributed acoustic sensing – DAS dokáže tyto změny měřit po celé délce kabelu. Jeden optický kabel se tak prakticky změní v dlouhou řadu tisíců velmi citlivých senzorů.
Dokáže zachytit projíždějící automobil. Kroky člověka. Vibrace hudebního koncertu. Zemětřesení. A také otřes způsobený hromem.
Je to chytrý obrat v používání infrastruktury, která už leží pod obrovskou částí měst. Kabel byl položen kvůli internetu. Najednou se z něj stává geofyzikální přístroj.
Dva a půl roku bouřek poskytlo stovky přírodních „výstřelů“
Pro novou studii vědci zpracovali přibližně 2,5 roku nepřetržitého měření. Z obrovského objemu dat sestavili katalog 458 vysoce kvalitních thunderquakes, jejichž souvislost s bouřkami ověřili také pomocí údajů o blescích.
Každý hrom přicházel z trochu jiného místa. Každý proto poslal seismickou energii podzemím pod trochu jiným úhlem. A právě to je pro tomografii výhodné.
Představme si předmět ukrytý v neprůhledné krabici. Pokud na něj posvítíme jediným paprskem, získáme jen omezenou informaci. Když jej ale osvítíme z desítek či stovek různých směrů, můžeme jeho tvar rekonstruovat mnohem přesněji.
Bouřky výzkumníkům poskytly podobný soubor přírodních seismických zdrojů. Nemuseli vyrábět vibrace sami. Obloha jim je dodávala zdarma.
Hrom odhalil slabá místa ukrytá ve vápenci
Kampus Penn State leží v oblasti tvořené mimo jiné vápenci a dalšími horninami náchylnými ke krasovým procesům. Voda může vápenec postupně rozpouštět a vytvářet trhliny, oslabené zóny nebo dutiny. Právě taková geologie může vést také ke vzniku závrtů.
Z dat thunderquakes vědci rekonstruovali rychlost šíření smykových seismických vln v podloží přibližně do hloubky 100 metrů.
Výsledná tomografie odhalila několik oblastí s nižší rychlostí šíření vln – tedy potenciálně slabších či více narušených částí horniny. A nebyl to pouze zajímavý barevný obrázek z počítačového modelu.
Některé z těchto struktur odpovídaly údajům z nezávislých vrtů a technických geologických průzkumů. Některé se navíc nacházely pod místy, kde satelitní radar zaznamenal deformaci povrchu. To je zásadní. Studie totiž neukazuje pouze to, že hrom vytvoří měřitelnou vlnu. Ukazuje, že informace obsažená v této vlně může odpovídat skutečné geologii pod našima nohama.
A právě tady začíná být thunderquake prakticky zajímavý
Klasický geologický průzkum není vždy jednoduchý. Chceme-li detailně mapovat podzemí, můžeme rozmístit hustou síť seismometrů nebo sami vytvářet seismické vlny. Jenže to znamená techniku, pracovníky, povolení a peníze. V centru velkého města není úplně praktické přijet s těžkým vibračním vozidlem a začít třást ulicemi. V chráněné přírodní oblasti zase nemusíme chtít zasahovat do krajiny. A některá místa jsou jednoduše obtížně dostupná.
Optické kabely už však v mnoha oblastech existují. Pokud by jejich část bylo možné využít jako DAS senzory, stačilo by počkat na přírodní zdroj energie. A bouřek máme na Zemi více než dost. Metoda by proto mohla být zajímavá například pro sledování závrtů, sesuvů půdy, podzemních zásob vody, důlních oblastí, sopek nebo dalších mělkých geologických rizik.
Největší smysl může mít tam, kde klasická seismologie naráží na jeden paradox: země je geologicky zajímavá, ale málo se tam třese.
Klidná oblast je pro seismologa někdy problém
Zemětřesení jsou ničivá, ale pro vědu mají jednu zvláštní výhodu. Dodávají obrovské množství seismické energie zdarma. Například západní pobřeží Spojených států je proto protkané množstvím seismických dat. V centrálních a východních částech země je zemětřesení podstatně méně. To je skvělá zpráva pro obyvatele. Pro vytváření detailních seismických obrazů je to ale méně výhodné.
Bouřky tuto situaci obracejí. Region nemusí být tektonicky aktivní. Stačí, že má počasí. A v některých oblastech mohou bouřkové systémy pokrývat desítky kilometrů a opakovaně vytvářet velké množství akustické energie.
Thunderquake by se tak mohl stát meteorologicky řízeným zdrojem pro geofyziku. Místo čekání na zemětřesení čekáme na bouřku.
Ale ne každé zahřmění nám automaticky nakreslí mapu podzemí
Tady je potřeba podobně jako u každé nové metody trochu brzdit. Současná studie je především proof of concept – důkaz, že princip skutečně fungovat může. Thunderquakes jsou komplikované. Hrom nevzniká v jediném jednoduchém bodě. Bleskový kanál může mít složitý tvar, tlaková vlna se šíří atmosférou, odráží se a teprve potom část energie přechází do podzemí.
Vědci proto museli velmi detailně řešit, která část zaznamenaného signálu skutečně představuje použiteLnou seismickou vlnu. Pomohly jim numerické simulace, modelování šíření vln a velké množství opakovaných měření.
Také neplatí, že každý telekomunikační kabel lze zítra bez problémů připojit k laseru a začít mapovat celou planetu. Přístup k infrastruktuře, způsob uložení kabelu, jeho vazba s okolní půdou i lokální geologie mohou kvalitu měření výrazně ovlivnit.
A metoda v této studii zobrazovala především mělké podzemí do řádu stovky metrů, nikoli hluboký zemský plášť. Přesto je princip pozoruhodně jednoduchý: využít energii, která už kolem nás vzniká, a infrastrukturu, která už leží pod zemí.
Městský internet může jednou současně přenášet data a sledovat zem pod ulicemi
Tohle není první případ, kdy vědci zjistili, že optické kabely mohou dělat mnohem víc než přenášet internet. DAS se už používá nebo testuje pro detekci zemětřesení, sledování sopek, pohyb ledovců, dopravy, permafrostu i některých geologických rizik.
Penn State například už dříve ukázal, že stejné kabely mohou využít hluk dopravy k hledání oblastí pod povrchem, které by mohly souviset se vznikem závrtů.
Thunderquakes přidávají další zdroj. Auto. Vlak. Lidská činnost. Zemětřesení. Bouřka. Pro geofyzika jsou všechny tyto věci v určitém smyslu pouze různé způsoby, jak rozkmitat půdu. A čím více různých zdrojů dokážeme využít, tím méně musíme zem aktivně rušit sami.
Možná tak postupně vzniká úplně jiný model seismického monitoringu měst. Pod ulicemi už máme obrovskou síť optických vláken. Stačí se naučit poslouchat, co všechno do nich Země sama šeptá.
A možná jednou nebudeme bouřky poslouchat jen na Zemi
Autoři nové práce zmiňují ještě jednu možnost, která je zatím mnohem vzdálenější. Pochopení toho, jak atmosférické tlakové vlny předávají energii pevnému povrchu, by mohlo být zajímavé také při průzkumu jiných světů.
Planetární seismologie má totiž zásadní problém. Nemůžeme na Marsu, Měsíci nebo jiném tělese rozmístit tisíce přístrojů tak snadno jako na Zemi. Každý dostupný přírodní zdroj vibrací je proto cenný.
Na světech s atmosférou a výrazným počasím by mohly podobné procesy poskytovat další způsob, jak získávat informace o podpovrchové struktuře. Výzkumníci tuto možnost zatím zmiňují jako budoucí perspektivu, nikoli jako hotovou technologii.
Je to ale pěkná připomínka toho, kam může vést jedna zdánlivě obyčejná otázka. Co se vlastně stane s hromem poté, co jeho tlaková vlna narazí do země?
Bouřku jsme považovali za hluk. Teď se z ní stává zdroj dat
Ve vědeckém měření bývá hluk něco, čeho se chceme zbavit. Pro seismologa může být projíždějící kamion rušivý. Stejně tak vítr. Déšť. A samozřejmě bouřka. Jenže moderní citlivé senzory postupně ukazují, že část tohoto „hluku“ ve skutečnosti obsahuje informace.
Hrom při nárazu na zem vytvoří vlnu. Ta se vydá podložím. Různé horniny ji různě zpomalí a změní. A několik kilometrů obyčejného optického kabelu zaznamená její cestu dostatečně přesně na to, aby z ní počítač znovu sestavil obraz podzemí.
Thunderquake tedy není nové zemětřesení, kterého bychom se měli bát. Je to spíše velmi slabá ozvěna bouřky uvnitř Země. A poprvé se ukázalo, že když ji posloucháme dostatečně pozorně, může nám říct, co se nachází pod místem, na kterém právě stojíme.
MOHLO BY SE VÁM TAKÉ LÍBIT
Zdroje: Kód Enigma [1], Science Advances – „Imaging Earth's subsurface with thunderstorm-generated seismic waves“ [2], Penn State – „Thunderquakes: A new way to image the Earth’s subsurface“ [3], Seismological Research Letters – „Seismic observations of four thunderstorms using an underground fiber-optic array“ [4], Journal of Geophysical Research: Atmospheres – „Characterizing thunder-induced ground motions using fiber-optic distributed acoustic sensing array“ [5], Penn State – „Fiber optic cables could act as early warning system for geohazards, study finds“ [6], img AI generated