Cuando cae un rayo, sobrecalienta el aire a su alrededor y crea una onda de choque que escuchamos como un trueno. Pero el trueno no sólo viaja a través de la atmósfera hasta nuestros oídos.
Cuando esa energía llega al suelo, parte de ella se convierte en ondas sísmicas que recorren el suelo y las rocas debajo. Las vibraciones resultantes se conocen como “truenos”.
Hasta ahora, los científicos no han comprendido estas señales lo suficientemente bien como para hacer un uso práctico de ellas. La investigación de nuestro equipo muestra que los terremotos se pueden utilizar para mapear la estructura debajo del subsuelo de la Tierra, como el movimiento de las aguas subterráneas, la contaminación ambiental, los sumideros o para evaluar sitios de construcción y cimientos, al igual que las imágenes de rayos X dentro del cuerpo humano.
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Lo descubrimos escuchando truenos con algo que se encuentra en comunidades de todo el mundo pero que es inusual como instrumento de medición sísmica: el cable de fibra óptica.
Convirtiendo la fibra óptica en sensores de vibración
Utilizando una técnica llamada detección acústica distribuida, convertimos un cable de fibra óptica común, del tipo que se usa para Internet o servicio telefónico, en una cadena de miles de sensores de vibración.
Una computadora que emite pulsos láser, llamada interrogador, envía luz a través del cable y mide pequeños cambios causados por las vibraciones a lo largo de su longitud. En nuestro experimento, que forma parte del proyecto FORESEE de Penn State, utilizamos un cable de más de 4 kilómetros (2 millas) de largo. Eso nos dio más de 2.100 sensores, espaciados a solo unos metros de distancia, todos escuchando el suelo a la vez.
Durante dos años, utilizamos una vieja fibra de telecomunicaciones para registrar e identificar 458 terremotos claros y de alta calidad.
La enorme cantidad de detalles capturados por este proceso nos ha permitido ver algo que antes era difícil de observar: tipos específicos de ondas sísmicas producidas cuando el sonido de la atmósfera interactúa con el suelo.
Las más importantes de estas ondas sísmicas son las que llamamos ondas de Rayleigh acopladas al aire. Se pueden medir en la superficie, pero se pueden utilizar para estudiar el subsuelo muy por debajo, incluso a 300 pies (alrededor de 100 metros).
Cómo un terremoto ‘raya X’ el suelo
El truco de esta técnica se conoce como dispersión sísmica: ondas de diferentes frecuencias viajan a diferentes profundidades. Al medir cómo las velocidades de las ondas del terremoto cambiaron con la frecuencia, pudimos reconstruir la velocidad de las ondas sísmicas a diferentes profundidades, lo que nos permite interpretar las propiedades del suelo debajo de la fibra.
El resultado fue el equivalente a una radiografía del subsuelo que se extendía aproximadamente 300 pies bajo tierra, sin perforar un solo agujero.
Para obtener imágenes del subsuelo normalmente se requieren equipos especializados, como fuentes de vibración montadas en camiones o conjuntos de sensores que deben instalarse para los estudios. Estos enfoques pueden resultar costosos y difíciles de implementar en áreas grandes.
Las tormentas eléctricas ofrecen una fuente natural de energía sísmica que ya está repartida por todo el paisaje. Y los cables de fibra óptica están enterrados debajo de ciudades y pueblos de todo el mundo.
En lugar de traer una fuente sísmica al suelo, podemos escuchar las tormentas que pasan sobre nuestras cabezas. Esto podría eventualmente hacer posible monitorear continuamente el subsuelo poco profundo, utilizando infraestructura que ya está en el suelo y energía sísmica que ya proviene del cielo.
Lo que encontramos en nuestro sitio de prueba
En State College, Pensilvania, donde realizamos las pruebas, la geología es principalmente piedra caliza y dolomita, rocas que pueden disolverse lentamente a medida que el agua subterránea las atraviesa. Con el tiempo, este proceso crea fracturas, cuevas y sumideros.
Nuestro estudio de terremotos reveló cuatro áreas distintas donde las ondas sísmicas viajaban mucho más lentamente que a través de la roca circundante. Estas “zonas débiles” podrían ser causadas por rocas fracturadas o erosionadas o por la presencia de agua o aire. Dos de ellos coinciden con zonas donde el radar satelital muestra que el terreno se está hundiendo activamente. Las profundidades de los cuatro son consistentes con fracturas y huecos documentados en sitios cercanos.
Estos resultados son importantes porque los paisajes kársticos como el que se encuentra debajo del State College están muy extendidos. Cubren aproximadamente el 20 por ciento de la superficie terrestre continental del mundo y afectan a casi una cuarta parte de la población mundial. Los sumideros, la contaminación del agua subterránea y otros peligros asociados con estos paisajes pueden amenazar los edificios, la infraestructura y la seguridad pública. Saber dónde están estos peligros permite una mejor construcción y planificación.
No sólo para los truenos, y no sólo en la Tierra
Nuestros resultados demuestran un proceso fundamental: las ondas sonoras de la atmósfera se pueden convertir en ondas sísmicas útiles en la Tierra sólida. Pero el trueno es sólo un ejemplo.
Los estallidos sónicos, las erupciones volcánicas y las explosiones de meteoritos pueden producir ondas de choque atmosféricas similares, creando potencialmente otras fuentes sísmicas naturales.
La idea podría incluso extenderse más allá de la Tierra. No se espera que los terremotos tectónicos similares a los de la Tierra sean comunes en otros planetas y lunas, pero es posible que aún haya perturbaciones atmosféricas.
Titán, la luna más grande de Saturno y destino de la próxima misión Dragonfly de la NASA, es una posibilidad intrigante. Si allí se producen relámpagos y truenos como predicen los modelos, la energía atmosférica podría proporcionar otra forma de investigar su subsuelo.
En la Tierra, la atmósfera interactúa constantemente con el suelo bajo nuestros pies. Nuestro trabajo sugiere que esta interacción podría ser una fuente de información sobre el mundo oculto debajo de nosotros.