Wat geluidsgolven onthullen over het binnenste van de aarde

Na zijn promotie zou dr.ir. Gil Averbuch van de afdeling Geoscience & Engineering (faculteit Civiele Techniek en Geowetenschappen), naar de Verenigde Staten vertrekken voor een postdoc in seismo-akoestiek in Dallas. Minder dan een week voor vertrek kondigden de Verenigde Staten aan de grenzen te sluiten vanwege het coronavirus. “De timing kon niet slechter”, zegt Averbuch. “Ik had al mijn spullen ingepakt en mijn appartement opgezegd. Gelukkig kan ik in het appartement van een vriend verblijven, die er op dit moment niet is.”

Averbuch, oorspronkelijk uit Tel Aviv, ontmoette prof.dr. Laslö Evers (CiTG) op een congres in Wenen. Ze deelden een interesse in het effect van ondergrondse bronnen op de voorplanting van golven in de atmosfeer. Hun nieuwsgierigheid werd nog groter na de ondergrondse kernproeven in Noord-Korea: toen Noord-Korea in 2013 in het geheim ondergrondse kernproeven uitvoerde, werden in Rusland en Japan infrageluidsignalen – zeer laagfrequente geluidsgolven – gedetecteerd. Toen de Noord-Koreaanse leider Kim Jong-un in 2016 op dezelfde plaats een test van dezelfde sterkte deed, werd er nauwelijks infrageluid gemeten in Japan en slechts een zeer zwak signaal opgevangen in Rusland. Hoe is dat mogelijk?

Infrageluid reist met heel lage frequenties – tussen 0,01 en 20 Hz door de atmosfeer. ‘Infra’ betekent ‘heel laag’, en geluid is een akoestische golf. Dat maakt infrageluid een laagfrequente geluidsgolf.

^{Seismische bron en infrageluid (Illustratie: Gil Averbuch)}

Infrageluid is niet nieuw in de wetenschap. Al sinds de jaren ’50 van de vorige eeuw zijn er observaties van infrageluidsignalen van aardbevingen die honderden kilometers verderop zijn gemeten. Maar pas met de komst van het alomvattende kernstopverdrag (Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty) in 1996, is het wereldwijde International Monitoring System (IMS) geplaatst dat door metingen controleert of landen kernwapens ontwikkelen. Dit leidde tot een enorme instroom van data uit de hele wereld, toegankelijk voor wetenschappers. Aanvankelijk probeerden onderzoekers te begrijpen hoe geluidsgolven zich voortplanten door de atmosfeer. Er waren theorieën over hoe golven gekoppeld worden aan de atmosfeer vanuit een ondergrondse bron, maar nog niemand had dit als de focus van zijn onderzoek, zegt Averbuch.

Brondiepte
“Eerst wilden we weten of de conditie van de atmosfeer een effect heeft gehad op de verschillende observaties van de Noord-Koreaanse ondergrondse kernproeven in 2013 en 2016”, zegt Averbuch. De wind en de temperatuur in de atmosfeer hebben invloed op hoe golven zich voortplanten. De conditie van de atmosfeer in 2013 bleek inderdaad anders dan in 2016, maar dat verklaarde niet alles. Averbuch: “Op dat moment realiseerden we ons dat de meest logische parameter die overbleef, de brondiepte van de kernproeven was. De diepte van de bron bepaalt de hoeveelheid energie die wordt overgebracht naar de atmosfeer.”

Averbuch maakte een model dat seismische en akoestische golfvoortplanting simuleert in een aarde-oceaan-atmosfeersysteem. De brondiepte en bronsterkte zijn bepalend voor de hoeveelheid energie die wordt gekoppeld aan de atmosfeer en de voortplantingspaden.

^{De voortplanting van infrageluid van de aardbeving in Haïti in 2010 naar het IMS-station. Het energieverlies (transmission loss) wordt weergegeven als een functie van de afstand en de hoogte bij 1,0 Hz. (Figuur: Gil Averbuch)}

Epicentrum
Na een basisbegrip van het koppelingsmechanisme werd het tijd om complexere systemen te bestuderen: aardbevingen. In 2010, tijdens de aardbeving in Haïti, werd infrageluid gedetecteerd op een 1700 kilometer verderop gelegen Bermuda-eiland. Samen met collega-onderzoeker dr. Shani-Kadmiel gebruikte Averbuch een back projection-methode die infrageluidsignalen terug naar de mogelijke locatie van de bron projecteert. De back projection toonde de exacte plaats van het epicentrum van de aardbeving in Haïti.

^{Van links naar rechts: Kaart van Haïti en Bermuda; epicentrum van de aardbeving, intensiteit en polariteit van het bronmechanisme van de aardbeving. (Figuur: Gil Averbuch)}

Er is zelfs meer informatie af te leiden uit infrageluid. De polariteit van de signalen van de aardbeving in Haïti vormen een interessant patroon dat het bronmechanisme van de aardbeving laat zien. Het toont namelijk welke delen van de aarde omhoog bewogen, en welke naar beneden vielen. Averbuch: “We waren allemaal verrast toen we dit patroon zagen, en wilden weten of het toeval was of niet.”

^{Voorspeld bronmechanisme van de aardbeving: de rode delen bewogen omhoog, de blauwe delen omlaag. (Figuur: Gil Averbuch)}

Daarom simuleerde het team de golfvoortplanting in de atmosfeer van meerdere bronnen, waarbij hetzelfde bronmechanisme werd gesimuleerd. Daar zagen ze steeds exact hetzelfde patroon. Averbuch: “Uit infrageluid kunnen we dus echt informatie halen over hoe de aarde bewoog tijdens een aardbeving op 1700 kilometer afstand.”

Op dit moment heeft Averbuch regelmatig contact met zowel de onderzoeksgroep van de Southern Methodist University of Dallas als met de TU Delft. “Ik kan niet zeggen dat ik werk zoals ik gewend ben, maar ik probeer wel het beste te maken van alle ‘gedwongen’ vrije tijd; ik lees, leer nieuwe dingen, werk aan nieuwe ideeën en maak onafgemaakte projecten af.”

• Dr.ir. Averbuch, Gil, Conversations between the Earth and Atmosphere: A study on the seismo-acoustic wavefield, PhD supervisors: prof. Läslo Evers. Verdediging, 9 maart, 2020.

Sija van den Beukel / Freelance journalist