Pământul a sunat ca un clopot săptămâni în șir

Ce s-a întâmplat pe 26 decembrie 2004

La 00:58 UTC, 7:58 dimineața în Sumatra, falia de sub ocean din largul insulei s-a rupt pe o lungime de aproximativ 1.300 de kilometri, până la insulele Andaman. Ruptura a ținut între opt și zece minute.

Cutremurul a avut magnitudinea 9,1, după Institutul Geologic al SUA (USGS); estimările din primele luni au mers de la 9,0 la 9,3. Cutremurul și tsunamiul pornit de el au ucis sau au lăsat dispăruți 227.898 de oameni în 14 țări, din Indonezia și Sri Lanka până în Africa de Est.

Undele cutremurului au mișcat solul cu peste un centimetru pe toată suprafața planetei. După ce au trecut, Pământul a continuat să vibreze ca un clopot lovit, în tonurile lui. Vibrația aceasta nu se simte: e prea lentă și prea mică. Seismometrele au înregistrat-o săptămâni la rând.

Cât de tare a respirat Pământul

Cel mai mult a ținut tonul în care toată planeta se umflă și se strânge deodată. Seismologii îi spun „modul de respirație”.

O dată la 20 de minute și 28 de secunde, solul a urcat și a coborât peste tot cu aproximativ 0,05 milimetri de o parte și de alta a poziției de repaus la început: 0,1 mm de sus până jos, cam grosimea unei foi de hârtie. Cele 12 stații din tabel, de la Târgușor, în Dobrogea, până în Japonia, Zambia și Chile, au citit între 0,038 și 0,055 mm, adică cu 13% sub și 25% peste mediană. Mișcarea reală a acestui ton ar trebui să difere de la un loc la altul cu cel mult circa 1% (Rosat și colaboratorii, 2007), așa că diferența vine mai ales de la aparate: Park și colaboratorii au găsit abateri de 5–10% în răspunsul unei minorități însemnate de seismometre. În primele zile, stațiile au urmat același ritm: decalajul dintre ele a fost de cel mult o zecime de ciclu, cam două minute din 20.

Echipa care a studiat în 2005 înregistrările de la peste 400 de stații a ajuns la același număr: 49 de micrometri, adică 0,049 milimetri (Park și colaboratorii, Science).

Mișcarea a scăzut la jumătate cam la fiecare 17 zile și jumătate. După 30 de zile mai avea 30% din cât fusese la început. A putut fi urmărită aproape trei luni, până pe 28 martie 2005, când un alt mare cutremur, lângă insula Nias, a acoperit-o (Okal și Stein, 2009).

Lăsate deoparte: Pallekele, Wellington și Polul Sud, unde scăderea tonului zi de zi nu urmează o linie dreaptă (regula din metodă).

Și pământul de sub România a sunat

Stația de la Târgușor, în județul Constanța, ținută de centrul german de geoștiințe GFZ împreună cu Institutul Național pentru Fizica Pământului, a înregistrat aceeași respirație: 0,044 mm în a doua zi, exact pe mediana celor 12 stații. Între 1 și 3 ianuarie 2005 stația n-a trimis date timp de 45 de ore; în înregistrarea de pe pagină, acele ore sunt liniște.

Ascultă respirația înregistrată la TârgușorToată luna, de la Târgușor

De ce sună Pământul ca un clopot

Orice obiect lovit vibrează în tonurile lui: un clopot, un pahar, o coardă. Tonurile depind de mărimea obiectului și de materialul din care e făcut. Pământul are 12.742 de kilometri în diametru și e făcut din rocă și fier, așa că tonurile lui sunt foarte joase. Cel mai jos durează aproape o oră pentru o singură vibrație.

Urechea noastră aude de la aproximativ 20 de vibrații pe secundă în sus. Respirația Pământului face una la 1.228 de secunde, un ton de aproape 25.000 de ori mai jos decât cel mai grav sunet pe care îl auzim. De aceea pe pagină înregistrarea e accelerată de 500.000 de ori: o lună încape în cinci secunde, iar respirația se aude ca un ton limpede de 407 de herți.

Doar cutremurele foarte mari lovesc planeta destul de tare ca aceste tonuri să iasă peste zgomotul de fond. Primele măsurători au venit după marile cutremure de la mijlocul secolului XX, mai ales după cel din Chile din 1960, de magnitudine 9,5, din înregistrări pe hârtie digitizate de mână. În 2004, peste 400 de stații digitale le-au prins mai limpede ca oricând.

Tonurile spun ce e înăuntru. Ritmul lor depinde de cât de dense și de rigide sunt straturile din adânc, așa că seismologii le folosesc ca să cântărească interiorul planetei: modelul de referință al interiorului Pământului (PREM, 1981) a fost construit și din ele. Tot din ele a ieșit, în 2005, una dintre estimările mai mari ale cutremurului, magnitudinea 9,3 (Stein și Okal, Nature).

Pământul vibrează foarte slab și fără cutremure, în același fel de oscilații libere, ținute în mișcare de atmosferă și oceane în loc de o singură lovitură: un „zumzet” raportat prima dată în 1998.

Cum s-a făcut sunetul și ce e transformat

Ce e real

Sunetul e făcut din înregistrarea seismometrului (componenta verticală, un punct pe secundă, 30 de zile de la cutremur), după scoaterea răspunsului aparatului și filtrare; se păstrează un punct din 20. Frecvențele și raporturile dintre tonuri sunt cele măsurate. Stingerea e reală, dar în sunet e îmblânzită (vezi „Volumul”), iar fiecare ton separat e redat la aceeași tărie, așa că tăria lor nu se compară. Stațiile oferite sunt Albuquerque (rețeaua mondială GSN, SUA), Târgușor (GEOFON și INFP, România) și Charters Towers (GSN, Australia).

Ce e transformat

• Viteza: totul e redat de 500.000 de ori mai repede, deci fiecare ton e de 500.000 de ori mai înalt. O lună durează cinci secunde.
• Banda: se păstrează doar vibrațiile de la 0,25 la 1,35 milihertzi (pe pagină, 125–675 Hz), unde stau tonurile. Mareele și majoritatea zgomotului rămân pe dinafară.
• Volumul: diferența dintre începutul foarte puternic și sfârșitul slab a fost redusă la jumătate, ca să se audă și finalul. Liniștea din înregistrarea de la Târgușor înseamnă ore fără date.
• Tonurile separate: fiecare e aceeași înregistrare trecută printr-un filtru foarte îngust în jurul tonului, apoi redată la aceeași viteză.
• Globul: fiecare ton e desenat cu cea mai mare abatere de 3% din raza Pământului, așa că fiecare are mărirea lui; pentru respirație (0,05 mm), mărirea e de aproape patru miliarde de ori. Mișcarea e de 800 de ori mai rapidă decât în realitate, ca să se vadă: respirația apare o dată la 1,5 secunde. Tăria tonurilor nu se compară; felul în care crește și se stinge fiecare urmează mediana stațiilor.

Cum s-a măsurat respirația

Înregistrarea fiecărei stații a fost convertită din unitățile aparatului în mișcarea solului, cu răspunsul aparatului publicat de rețea. Pe ferestre de două zile s-a potrivit o sinusoidă la frecvența respirației, cu tonul vecin de 20 de minute potrivit alături, iar scăderea zi de zi a dat timpul de înjumătățire. Un seismometru simte și scăderea gravitației când solul urcă, ceea ce mărește mișcarea aparentă cu 12%; numerele din tabel sunt corectate. Stațiile au fost alese după o regulă stabilită înainte de a citi amplitudinile: mai puțin de 10% din date lipsă și o scădere care urmează o linie dreaptă pe scară logaritmică.

Mediana stațiilor dă un timp de înjumătățire de 17,5 zile, adică un factor de calitate Q de aproximativ 5.600 (între 5.000 și 6.000 la fiecare stație); Okal și Stein au măsurat 5.579 ± 140 la patru stații (CTA, MAJO, PPT și YSS), cu ferestre de 85 de zile.

Surse

1. Park, J. și colab. (2005). Earth's free oscillations excited by the 26 December 2004 Sumatra-Andaman earthquake. Science 308, 1139–1144. doi.org/10.1126/science.1112305
2. Okal, E. A. și Stein, S. (2009). Observations of ultra-long period normal modes from the 2004 Sumatra-Andaman earthquake. Physics of the Earth and Planetary Interiors 175, 53–62. doi.org/10.1016/j.pepi.2009.03.002
3. Stein, S. și Okal, E. A. (2005). Speed and size of the Sumatra earthquake. Nature 434, 581–582. doi.org/10.1038/434581a
4. Lay, T. și colab. (2005). The Great Sumatra-Andaman Earthquake of 26 December 2004. Science 308, 1127–1133. doi.org/10.1126/science.1112250
5. USGS. M 9.1 – 2004 Sumatra – Andaman Islands Earthquake (pagina evenimentului). earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/official20041226005853450_30
6. USGS. Today in Earthquake History, 26 decembrie (227.898 de morți și dispăruți, 14 țări). earthquake.usgs.gov/learn/today/index.php?month=12&day=26
7. Masters, G. și Laske, G. REM, Reference Earth Model: tabelele de frecvențe și atenuări ale modurilor (UCSD). igppweb.ucsd.edu/~gabi/rem.html
8. Dziewonski, A. M. și Anderson, D. L. (1981). Preliminary reference Earth model. Physics of the Earth and Planetary Interiors 25, 297–356 (tabelul V). doi.org/10.1016/0031-9201(81)90046-7
9. Suda, N., Nawa, K. și Fukao, Y. (1998). Earth's background free oscillations. Science 279, 2089–2091. doi.org/10.1126/science.279.5359.2089
10. Rhie, J. și Romanowicz, B. (2004). Excitation of Earth's continuous free oscillations by atmosphere–ocean–seafloor coupling. Nature 431, 552–556. doi.org/10.1038/nature02942
11. Albuquerque Seismological Laboratory/USGS (1988). Global Seismograph Network (GSN – IRIS/USGS), rețeaua IU. doi.org/10.7914/SN/IU
12. EarthScope Consortium (1986). Global Seismograph Network – II, rețeaua II. doi.org/10.7914/SN/II
13. GEOFON Data Centre (1993). GEOFON Seismic Network, rețeaua GE. doi.org/10.14470/TR560404
14. MedNet Project Partner Institutions (1990). Mediterranean Very Broadband Seismographic Network (MedNet), rețeaua MN. doi.org/10.13127/SD/fBBBtDtd6q
15. EarthScope Consortium, serviciile FDSN de date și metadate (înregistrările LHZ și răspunsul aparatelor). service.iris.edu/fdsnws/
16. GEOFON, GFZ Potsdam, serviciile FDSN (stația TIRR, Târgușor). geofon.gfz.de/fdsnws/
17. Rosat, S., Watada, S. și Sato, T. (2007). Geographical variations of the 0S0 normal mode amplitude: predictions and observations after the Sumatra-Andaman earthquake. Earth, Planets and Space 59, 307–311. doi.org/10.1186/BF03353109