Diepe Duik in Alaska na Vulkanuitbarsting in de Stille Oceaan in 2022

De Hunga Tonga–Hunga Ha’apai vulkaan is een van de 12 bevestigde onderzeese vulkanen langs een segment van de grotere Tonga-Kermadec vulkanische boog. Atmosferische golven van een enorme vulkaanuitbarsting in de Stille Zuidzee in 2022 creëerden seismische golven die tot minstens 5 kilometer diep in Alaska doordrongen. Dit bood de mogelijkheid om een ongebruikelijke methode te gebruiken om in de diepe ondergrond van de staat te kijken.

Ken Macpherson, een wetenschapper aan het Geophysical Institute van de Universiteit van Alaska Fairbanks, en andere onderzoekers analyseerden de koppeling van atmosferische drukgolven met de grond om de snelheid te bepalen waarmee seismische golven door de bovenste korst van Alaska reizen. Eigenschappen van ondergrondse materialen, zoals hardheid die de seismische snelheid beheerst, kunnen worden afgeleid door het relatieve vermogen van binnenkomende drukgolven en de resulterende seismische golven te onderzoeken. Denk aan het verschil tussen blazen op de oppervlakte van een kom Jell-O en blazen op een pan met browniebeslag met dezelfde kracht: je zou de Jell-O zien trillen, maar de brownies zouden niet veel bewegen omdat het materiaal stijver is.

“De drukgolven van Hunga Tonga hebben ons veel meer informatie gegeven over hoe seismische golven zich in Alaska verspreiden,” zei Macpherson. Zijn onderzoek naar seismische snelheid tot diepten van 30 meter, 2 kilometer en 5 kilometer is gepubliceerd in Seismica.

De uitbarsting
De explosieve uitbarsting van de Hunga Tonga–Hunga Ha’apai vulkaan, die zich in het Koninkrijk Tonga bevond en ongeveer 9.600 kilometer van Alaska, vond plaats op 15 januari 2022. De atmosferische golven van deze uitbarsting waren de grootste die bekend zijn sinds de uitbarsting van Krakatau in 1883. “Hunga Tonga was een ongekende explosie in het tijdperk van instrumentatie,” zei Macpherson. “Die drukgolven schudden Alaska, 9.600 kilometer verderop, wat ik gewoon opmerkelijk vind. En veel van die golven waren langperiodiek en schudden daardoor de aarde tot grote diepten.” Een netwerk van 150 samengevoegde barometers, infrasound-sensoren en seismometers in Alaska registreerde de gegevens van de uitbarsting die in Macphersons onderzoek zijn gebruikt.

Informatie verkrijgen via lucht-grond koppeling op een diepte van 5 kilometer is ongebruikelijk. Dit komt omdat seismische golven die door koppeling worden geproduceerd meestal een kortere golflengte hebben, tenzij de krachtbron iets echt, echt groots is. “Omdat de explosie van Hunga zo enorm was, waren de drukgolven die de lange afstand naar Alaska aflegden nog steeds krachtig genoeg om de aarde te schudden, en waren ze daarom ideaal voor een koppelingstudie,” zei Macpherson.

Lucht-grond koppeling
Hoe schudt een atmosferische drukgolf de grond? En hoe kan het de grond 5 kilometer onder het oppervlak doen trillen? Krachtige drukgolven van een vulkaanuitbarsting creëren snelle veranderingen in luchtdruk terwijl ze door de atmosfeer reizen. Wanneer deze drukgolven de grond raken, duwen en trekken ze aan het oppervlak in een proces dat lucht-grond koppeling wordt genoemd, dat energie in de binnenkant van de aarde overdraagt. Deze energie wordt overgedragen via een proces dat wordt beschreven als de Tweede Wet van Newton, die stelt dat een toegepaste kracht deeltjes in beweging brengt door hun traagheid te overwinnen. Die deeltjesbeweging creëert seismische golven die mechanische energie bevatten in twee vormen: kinetische energie van de bewegende deeltjes en elastische energie van de tijdelijke vervorming van de korst terwijl de golf erdoorheen gaat.

Golven van informatie
Het onderzoek naar snelheid kan een aanvullend hulpmiddel zijn voor seismische risicoanalyse, omdat de golfsnelheid het niveau van grondbeweging beïnvloedt. “Als een voortplantende golf zich in diep materiaal bevindt en snel gaat, maar plotseling een zachter materiaal raakt, zegt de energiebalans: ‘Nou, ik ga langzamer, maar ik heb nog steeds dezelfde energie,'” zei Macpherson. “Dat betekent dat de amplitudes groter worden, wat zorgt voor sterkere trillingen.”

“Het kennen van die snelheden in de bovenste korst is goed voor seismische risicoanalyse. Het is ook goed voor netwerkoperators zoals het Alaska Earthquake Center, omdat ze de korstsnelheid onder een bepaald seismisch station nauwkeurig kunnen toepassen om de nauwkeurigheid van aardbevingslocaties te verhogen.” Macphersons werk kan ook bijzonder nuttig zijn in tomografie, een techniek die seismologen gebruiken om driedimensionale beelden van de binnenkant van de aarde te maken door te analyseren hoe seismische golven door verschillende materialen reizen. Tomografie onthult variaties in eigenschappen zoals dichtheid of snelheid, wat wetenschappers helpt om de diepe ondergrond in kaart te brengen. “Om tomografie goed uit te voeren, moet je een zogenaamde korreltelling doen, omdat de snelheden in de bovenste korst zo anders zijn dan die diepere snelheden waar je naar probeert te kijken,” zei hij. “Als je iets weet over de korst, kun je een correctie toepassen die tomografie voor tientallen tot honderden kilometers verbetert.”