Microsismo

En sismología , un microsismo se define como un temblor de tierra débil causado por fenómenos naturales. ^{[ 1 ] [ 2 ]} A veces denominado "zumbido", ^{[ 3 ]} no debe confundirse con el fenómeno acústico anómalo del mismo nombre . El término se usa más comúnmente para referirse a las señales de ruido sísmico y electromagnético de fondo dominantes en la Tierra, que son causadas por las olas del agua en los océanos y lagos. ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]} Bhatt analiza las características del microsismo. ^{[ 8 ]} Debido a que las oscilaciones de las olas del océano son estadísticamente homogéneas durante varias horas, la señal del microsismo es una oscilación continua de larga duración del suelo. ^{[ 9 ]} Las ondas sísmicas más energéticas que componen el campo microsísmico son las ondas de Rayleigh , pero las ondas de Love pueden constituir una fracción significativa del campo de ondas, y las ondas de cuerpo también se detectan fácilmente con arreglos. Debido a que la conversión de las olas oceánicas en ondas sísmicas es muy débil, la amplitud de los movimientos del suelo asociados a los microsismos generalmente no supera los 10 micrómetros.

Como se señaló al principio de la historia de la sismología, ^{[ 10 ]} los microsismos se detectan y miden muy bien mediante un sismógrafo de largo período . Esta señal se puede registrar en cualquier lugar de la Tierra.

Las señales microsísmicas dominantes de los océanos están vinculadas a períodos característicos de oleaje oceánico, y por lo tanto ocurren entre aproximadamente 4 a 30 segundos. ^{[ 11 ]} El ruido microsísmico generalmente muestra dos picos predominantes. El más débil es para períodos más largos, típicamente cerca de 16 s, y puede explicarse por el efecto de las ondas de gravedad superficiales en aguas poco profundas. Estos microsismos tienen el mismo período que las olas de agua que los generan, y generalmente se llaman "microsismos primarios". El pico más fuerte, para períodos más cortos, también se debe a ondas de gravedad superficiales en el agua, pero surge de la interacción de olas con frecuencias casi iguales pero direcciones casi opuestas (el clapotis ). Estos temblores tienen un período que es la mitad del período de la ola de agua y generalmente se llaman "microsismos secundarios". Una excitación incesante, leve pero detectable, de las oscilaciones libres de la Tierra, o modos normales , con períodos en el rango de 30 a 1000 s, y a menudo se hace referencia como el "zumbido terrestre". ^{[ 12 ]} Para periodos de hasta 300 s, el desplazamiento vertical corresponde a ondas de Rayleigh generadas como los microsismos primarios, con la diferencia de que implica la interacción de ondas infragraves con la topografía del fondo oceánico. ^{[ 13 ]} Las fuentes dominantes de este componente de zumbido vertical probablemente se encuentran a lo largo del borde de la plataforma, la región de transición entre las plataformas continentales y las llanuras abisales.

Como resultado, desde los microsismos secundarios de corto período hasta el zumbido de largo período, este ruido sísmico contiene información sobre el estado del mar . Puede utilizarse para estimar las propiedades de las olas oceánicas y su variación, en escalas temporales que van desde eventos individuales (de unas pocas horas a unos pocos días) hasta su evolución estacional o multidecadal. Sin embargo, el uso de estas señales requiere una comprensión básica de los procesos de generación de microsismos.

Los detalles del mecanismo primario fueron dados por primera vez por Klaus Hasselmann , ^{[ 5 ]} con una expresión simple de la fuente de microsismos en el caso particular de un fondo con pendiente constante. Resulta que esta pendiente constante debe ser bastante grande (alrededor del 5 por ciento o más) para explicar las amplitudes de microsismos observadas, lo cual no es realista. En cambio, las características topográficas del fondo a pequeña escala no necesitan ser tan pronunciadas, y la generación de microsismos primarios es más probablemente un caso particular de un proceso de interacción onda-onda en el que una onda es fija, el fondo. Para visualizar lo que sucede, es más fácil estudiar la propagación de ondas sobre una topografía de fondo sinusoidal. Esto se generaliza fácilmente a una topografía de fondo con oscilaciones alrededor de una profundidad media. ^{[ 14 ]}

En el caso de una topografía realista del fondo marino, que presenta un amplio espectro espacial, las ondas sísmicas se generan con todas las longitudes de onda y en todas las direcciones. Debido a que las presiones dinámicas de las olas oceánicas disminuyen exponencialmente con la profundidad, el principal mecanismo de generación de microsismos se limita a las regiones menos profundas del océano mundial (por ejemplo, a menos de varios cientos de metros para una energía de onda de 14 a 20 s ).

La interacción de dos trenes de ondas superficiales de diferentes frecuencias y direcciones genera grupos de ondas . Para ondas que se propagan casi en la misma dirección, esto da lugar a los conjuntos habituales de ondas que viajan a la velocidad de grupo, que es menor que la velocidad de fase de las olas de agua (véase la animación). Para las olas oceánicas típicas con un periodo de unos 10 segundos, esta velocidad de grupo es cercana a los 10  m/s.

En el caso de direcciones de propagación opuestas, los grupos viajan a una velocidad mucho mayor, que ahora es 2π( f ₁ + f ₂ )/( k ₁ − k ₂ ) donde k ₁ y k ₂ son los números de onda de las ondas de agua que interactúan.

Para trenes de ondas con una diferencia muy pequeña en frecuencia (y por lo tanto en número de onda), este patrón de grupos de ondas puede tener la misma velocidad que las ondas sísmicas, entre 1500 y 3000  m/s, y excitará modos acústico-sísmicos que se irradian.

En lo que respecta a las ondas sísmicas y acústicas, el movimiento de las olas oceánicas en aguas profundas es, en primera aproximación , equivalente a una presión aplicada en la superficie del mar. ^{[ 5 ]} Esta presión es casi igual a la densidad del agua multiplicada por el cuadrado de la velocidad orbital de la onda . Debido a este cuadrado, no es la amplitud de los trenes de ondas individuales lo que importa (líneas rojas y negras en las figuras), sino la amplitud de la suma, es decir, de los grupos de ondas (línea azul en las figuras).

Las olas oceánicas reales se componen de un número infinito de trenes de olas y siempre hay energía que se propaga en la dirección opuesta. Además, debido a que las ondas sísmicas son mucho más rápidas que las olas de agua, la fuente de ruido sísmico es isotrópica: se irradia la misma cantidad de energía en todas las direcciones. En la práctica, la fuente de energía sísmica es más fuerte cuando hay una cantidad significativa de energía de las olas viajando en direcciones opuestas. Esto ocurre cuando el oleaje de una tormenta se encuentra con olas del mismo período de otra tormenta, ^{[ 6 ]} o cerca de la costa debido a la reflexión costera.

Dependiendo del contexto geológico, el ruido registrado por una estación sísmica terrestre puede ser representativo del estado del mar cerca de la estación (en un radio de unos cientos de kilómetros, por ejemplo, en el centro de California) o de toda una cuenca oceánica (por ejemplo, en Hawái). ^{[ 7 ]} Para comprender las propiedades del ruido, es necesario comprender la propagación de las ondas sísmicas.

Las ondas de Rayleigh constituyen la mayor parte del campo microsísmico secundario. Tanto el agua como las partículas de la Tierra sólida se desplazan por las ondas a medida que se propagan, y la capa de agua desempeña un papel muy importante en la definición de la celeridad, la velocidad de grupo y la transferencia de energía de las ondas superficiales del agua a las ondas de Rayleigh. La generación de ondas Love de microsismo secundario implica la conversión de modos por batimetría no planar e, internamente, a través de la heterogeneidad de la velocidad de las ondas sísmicas dentro de la Tierra. ^{[ 15 ]}

La variación estacional de los microsismos ofrece información valiosa sobre la dinámica de los procesos superficiales y subsuperficiales de la Tierra. Los microsismos observables globalmente son generados por las olas oceánicas. Los cambios estacionales en las condiciones oceánicas y atmosféricas, como la altura de las olas, la actividad de las tormentas y los patrones de viento, contribuyen a las variaciones observadas en la intensidad y el contenido de frecuencia de los microsismos. Por ejemplo, durante los inviernos de los hemisferios norte y sur, la actividad de las tormentas y la energía de las olas son, en promedio, mayores en los hemisferios invernales correspondientes, y las señales de microsismos se vuelven más pronunciadas. Por el contrario, durante los veranos hemisféricos, cuando las condiciones oceánicas y atmosféricas son relativamente más tranquilas, la señal de microsismo exhibe su menor intensidad anual. Al estudiar la variación estacional de los microsismos, los investigadores pueden obtener una mejor comprensión de los procesos físicos subyacentes y su influencia en los sistemas dinámicos de la Tierra. ^{[ 16 ]} Debido a que son impulsados ​​por la energía de las olas oceánicas, las señales de microsismos alrededor de la Tierra también muestran variaciones a gran escala espacial que reflejan la energía promedio de las olas en grandes extensiones de los océanos globales.

Estudios a escala decenal han demostrado que la energía de los microsismos está aumentando a medida que las tormentas globales y sus olas asociadas aumentan en intensidad ^{[ 17 ]} debido al aumento de las temperaturas en los océanos y la atmósfera atribuido al calentamiento global antropogénico . ^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]}

Los microsismos de ondas internas son un tipo de onda sísmica que se propaga a través del interior de la Tierra, a diferencia de las ondas superficiales. Estos microsismos se generan por diversas fuentes, como fluctuaciones de la presión atmosférica , interacciones oceánicas y actividades antropogénicas. A diferencia de las ondas superficiales, que viajan predominantemente a lo largo de la superficie terrestre, los microsismos de ondas internas se propagan a través de las capas más profundas de la Tierra. Se han reportado variaciones estacionales en el ruido de ondas internas, consistentes con las diferencias en la actividad de tormentas entre el hemisferio norte y el hemisferio sur. ^{[ 21 ]}

Como lo demuestran los registros sísmicos, los microsismos de ondas de cuerpo, incluidos los tipos de ondas P, SV y SH, pueden ser evidentes en un amplio rango de períodos. ^{[ 22 ]} Entre ellos, los microsismos de ondas P son los más estudiados, típicamente las fases P, PP y PKP. La generación de microsismos de ondas P está fuertemente asociada con tormentas oceánicas distantes. ^{[ 23 ]} El modelado teórico muestra que las interacciones no lineales entre las olas oceánicas superficiales pueden generar eficazmente microsismos de ondas P y pueden ser moduladas por el efecto del sitio. ^{[ 24 ]} También se ha demostrado que la generación puede verse afectada por la batimetría local y las alturas de las olas oceánicas. ^{[ 25 ]} Se observa que los microsismos de ondas SV se excitan en el mismo lugar que los microsismos de ondas P, ^{[ 22 ] [ 26 ]} y pueden explicarse en la misma teoría de los microsismos de ondas P. ^{[ 26 ]} En contraste, los microsismos de ondas SH han sido menos estudiados y su mecanismo de generación aún no se ha resuelto. ^{[ 22 ]} Un descubrimiento reciente encontró que su formación puede estar relacionada con una capa sedimentaria. ^{[ 27 ]} Dado el mecanismo de generación de los microsismos de ondas de cuerpo, estos pueden utilizarse a su vez para monitorear las olas oceánicas ^{[ 28 ]} y rastrear ciclones tropicales en registros sísmicos. ^{[ 29 ]}

• Microbarómetro
• Terremoto
• Ruido sísmico
• Ola de viento