Гром и оптоволокно помогают изучать структуру земной поверхности

Исследователи применили гром в качестве источника сейсмических волн и оптоволоконные кабели в качестве датчиков, чтобы изучать строение верхних слоев земной поверхности. Метод основан на том, как акустические ударные волны от грома взаимодействуют с грунтом. Если волны встречают мягкую почву, твердую породу или инфраструктуру, созданную человеком, характер распространения энергии меняется. Часть энергии превращается в волны Рэлея, которые движутся по поверхности, а остальная уходит глубже через рыхлые отложения или коренные породы.

Чтобы получить полезные данные, необходимо понимать, как обычно выглядят сейсмические волны от раската грома. Для этого требуется моделировать многие процессы. Поскольку каждый такой «грозотряс» уникален — из-за различий в месте и условиях, — модель может быть лишь приблизительной. Возможно, именно эта неопределенность мешала исследователям раньше взяться за анализ подобных данных.

Группа использовала программное обеспечение SPECFEM3D Cartesian, предназначенное для трехмерной реконструкции сейсмических волн. Пришлось пойти на ряд упрощений. Например, атмосфера рассматривалась как однородный слой толщиной 3,6 километра, хотя вблизи грозы она далеко не однородна. Программа также обновляла события с частотой ниже, чем скорость волн на границе Земли и воздуха. Чтобы компенсировать это, исследователи растянули верхние 20 метров земли в модели до 200 метров.

Модель проверили на реальных данных, используя грозы, которые проходили над кампусом университета. Полезным открытием сейсмологии стало то, что обычные оптоволоконные кабели могут работать как сейсмометры. В кампусе Пенсильванского университета под землей проложен 4-километровый оптоволоконный кабель, предназначенный для сейсмических измерений. Кампус находится в части США, где летние грозы — обычное явление, что удобно для испытаний.