Neue Theorie der Tiefsee-Schallwellen könnte bei der Tsunami-Erkennung helfen

Neue Theorie der Tiefsee-Schallwellen könnte bei der Tsunami-Erkennung helfen

Akustische Schwerewellen sind sehr lange Schallwellen, die mit Schallgeschwindigkeit durch den tiefen Ozean schneiden. Diese blitzschnellen Strömungen können Wasser, Nährstoffe, Salze und andere Partikel in jeder Wassertiefe mitreißen. Sie werden typischerweise durch heftige Ereignisse im Ozean ausgelöst, darunter Erdbeben, Explosionen, Erdrutsche und sogar Meteoriten unter Wasser, und sie tragen Informationen über diese Ereignisse innerhalb von Minuten um die ganze Welt.

Forscher am MIT haben jetzt eine weniger dramatische, aber weitaus durchdringendere Quelle von akustischen Gravitationswellen identifiziert: Meeresoberflächenwellen, wie sie beispielsweise von einem Strand oder dem Deck eines Bootes aus zu sehen sind. Diese als Oberflächengravitationswellen bekannten Wellen bewegen sich nicht annähernd so schnell, weit oder tief wie akustische Gravitationswellen, aber unter den richtigen Bedingungen können sie die kraftvollen, sich schnell bewegenden und niederfrequenten Schallwellen erzeugen.

Die Forscher haben eine allgemeine Theorie entwickelt, die Schwerewellen und akustische Wellen verbindet. Sie fanden heraus, dass, wenn zwei aufeinander zulaufende Oberflächengravitationswellen mit einer ähnlichen, aber nicht identischen Frequenz schwingen, ihre Wechselwirkung bis zu 95 Prozent ihrer Anfangsenergie in Form einer akustischen Welle freisetzen kann, die diese wiederum trägt Energie und reist viel schneller und tiefer.

Diese Wechselwirkung kann überall im Ozean auftreten, insbesondere in Regionen, in denen Oberflächengravitationswellen interagieren, wenn sie von Kontinentalschelfbrüchen reflektiert werden, wo die Tiefsee plötzlich einer viel flacheren Küstenlinie gegenübersteht.

Usama Kadri, Visiting Assistant Professor und Research Affiliate am Department of Mathematics des MIT, sagt, dass die Ergebnisse des Teams eine konkrete und detaillierte Beziehung zwischen Oberflächengravitationswellen und akustischen Gravitationswellen belegen, von der Wissenschaftler bisher nicht vermutet hatten, dass sie existiert. Das Verständnis dieser Beziehung, sagt er, ermöglicht es den Forschern zu beschreiben, wie Energie zwischen Schwerkraft und akustischen Wellen ausgetauscht wird. Er sagt, diese Energie könnte für viele Meereslebewesen lebenswichtig sein und eine Rolle beim Wassertransport und der Umverteilung von Kohlendioxid und Wärme in tiefere Gewässer spielen und dadurch eine gesunde Meeresumwelt erhalten.

Kadri und sein Kollege Triantaphyllos Akylas, Professor für Maschinenbau am MIT, haben ihre Ergebnisse im Journal of Fluid Mechanics veröffentlicht.

Anpassung an die reale Welt

Größtenteils wurden Schwerewellen und akustische Wellen als völlig getrennte Einheiten betrachtet, wobei das eine keinen Einfluss auf das andere hat. Das liegt daran, dass ihre Eigenschaften sowohl in der Länge als auch in den Zeitskalen so unterschiedlich sind. Während die Schwerkraft die Hauptkraft ist, die wirkt, um Oberflächengravitationswellen wiederherzustellen und zu stabilisieren (daher der Name), ist ihre Wirkung auf Schallwellen vernachlässigbar. Andererseits ermöglicht die Tatsache, dass Wasser leicht komprimierbar ist, die Ausbreitung von Druckwellen, wie z. B. Schall, obwohl diese Eigenschaft auf Oberflächenwellen fast keinen Einfluss hat.

Kadri sagt, dass die typischen Wasserwellengleichungen, die zur Charakterisierung von Ozeanwellenwechselwirkungen verwendet werden, nicht auf akustische Gravitationswellen zutreffen, da sie keine Kompressibilitäts- und Gravitationseffekte berücksichtigen.

„Ohne Kompressibilität und Schwerkraft können wir niederfrequente Schallwellen nicht richtig beschreiben“, sagt Kadri. „Das ist einer der Gründe, warum Forscher die akustischen Schwerewellen bisher meist übersehen haben.“

Kadri leitete eine Wellengleichung ab, die Kompressibilität und Schwerkraft sowie nichtlineare Terme höherer Ordnung enthält.

„In der linearen Theorie spüren zwei aufeinander zulaufende Oberflächengravitationswellen einander nicht; Sie kommen sich näher, gehen aneinander vorbei und entfernen sich dann, ohne irgendeine Form von Energie auszutauschen, als hätten sie sich nie getroffen“, erklärt Kadri. „In Wirklichkeit ist das Bild jedoch komplizierter, und nichtlineare Effekte können ins Spiel kommen, was zu einem Energieaustausch und manchmal sogar zur Erzeugung neuer Wellen führt. Hier können Gravitationswellen in bestimmten Frequenzbereichen tatsächlich eine akustische Welle erzeugen, die völlig andere Eigenschaften hat – und das ist erstaunlich.“

Kullern in die Tiefe

Die neu hergeleitete Wellengleichung ermöglichte es Kadri, das Verhalten sowohl von Schall- als auch von Gravitationswellen zu untersuchen. Er analysierte die theoretischen Wechselwirkungen innerhalb eines Wellendreiklangs, bestehend aus zwei Oberflächengravitationswellen und einer akustischen Schwerewelle. Im Jahr 2013 bewies er numerisch, dass diese Wellenkonfiguration in Resonanz treten oder Energie austauschen sollte, was bedeutet, dass wenn zwei der drei Wellen oszillieren, sie die dritte Welle dazu bringen sollten, als Antwort zu oszillieren. Nun leitete er unter Verwendung der modifizierten Wellengleichung zusammen mit einer Mehrskalenanalyse sogenannte „Evolutionsgleichungen“ ab, um zu beschreiben, wie sich die Amplituden aller drei Wellen ändern, wenn sie Energie austauschen.

Überraschenderweise berechnete er, dass, wenn zwei Oberflächenwellen mit ungefähr der gleichen Frequenz und Amplitude aufeinander zu fließen, der Großteil ihrer Energie – bis zu 95 Prozent – in eine Schallwelle oder Akustik umgewandelt werden kann, wenn sie aufeinander treffen und durcheinander rollen -Schwerewelle. Diese Energie kann in Abhängigkeit von den Anfangsamplituden und -frequenzen der Oberflächengravitationswellen schwanken. Selbst wenn sich die Oberflächengravitationswellen in Form von kurzen Ausbrüchen ausbreiten, können sie immer noch über 20 Prozent ihrer Energie auf akustische Schwerewellen übertragen, eine nicht zu vernachlässigende Menge.

„Es ist unglaublich, nur daran zu denken, dass diese Wellen so unterschiedlich sind“, sagt Kadri. „Es ist wirklich aufregend, sie Energie teilen zu lassen; Dies erklärt, wie ein Teil der Energie, die aus der Atmosphäre, von der Sonne und dem Wind, in den oberen Teil des Ozeans gelangt, tatsächlich durch akustische Schwerewellen in die Tiefsee getrieben werden kann.“

Kadri sagt, die Ergebnisse könnten Wissenschaftlern helfen, Wechselwirkungen nicht nur zwischen Oberflächen- und Tiefseewasser, sondern auch mit den atmosphärischen Kräften, die Oberflächenwellen beeinflussen, zu verbinden.

Jetzt überträgt Kadri dieses neue Verständnis von Wellenwechselwirkungen auf eine entscheidende Anwendung: die Tsunami-Erkennung. Er arbeitet mit der Woods Hole Oceanographic Institution zusammen, um ein System zur Erkennung von akustischen Schwerewellen zu entwickeln, die einem Tsunami vorausgehen und sich mehr als zehnmal so schnell ausbreiten wie die zerstörerischere Welle.

„Schwere Meereszustände wie Tsunamis, Schurkenwellen, Stürme, Erdrutsche und sogar Meteoriteneinschläge können alle akustische Schwerewellen erzeugen“, sagt Kadri. „Wir hoffen, dass wir diese Wellen nutzen können, um einen frühen Alarm für schwere Seegang im Allgemeinen und Tsunamis im Besonderen auszulösen und möglicherweise Leben zu retten.“

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