Las SIRENAS revelan secretos debajo del fondo del océano

Los sismólogos usan ondas generadas por terremotos para escanear el interior de nuestro planeta, al igual que los médicos toman imágenes de sus pacientes usando tomografías médicas. Las imágenes de la Tierra nos han ayudado a rastrear los orígenes profundos de las islas volcánicas como Hawái e identificar las zonas de origen de los terremotos profundos.

“Imagínese a un radiólogo obligado a trabajar con un escáner CAT al que le faltan dos tercios de los sensores necesarios”, dijo Frederik Simons, profesor de geociencias en Princeton. "Dos tercios es la fracción de la Tierra que está cubierta por océanos y, por lo tanto, carece de estaciones de registro sísmico. Tal es la situación a la que se enfrentan los sismólogos que intentan afinar sus imágenes del interior de nuestro planeta".

Hace unos 15 años, cuando era investigador posdoctoral, Simons se asoció con Guust Nolet, ahora profesor emérito de Geociencias e Ingeniería Geológica George J. Magee, y resolvieron remediar esta situación construyendo un robot submarino equipado con un hidrófono: un micrófono submarino que puede captar los sonidos de terremotos distantes cuyas ondas envían energía acústica a los océanos a través del fondo del océano.

Una sirena lanzada recientemente cerca de Tahití está enviando mensajes al satélite antes de sumergirse una milla bajo el agua para comenzar a monitorear las señales de terremotos.

A la deriva una milla debajo de la superficie, las SIRENAS cubren un área grande. Los círculos rojos muestran dónde una SIRENA captó una señal sísmica.

Si la roca del manto está caliente, ralentizará las ondas sísmicas. Este gráfico muestra (en porcentaje) cuánto más lento viaja la onda en un corte transversal a lo largo de los 91 grados de longitud oeste. La trama se extiende hasta el centro de la Tierra (2.890 km, o unas 1.800 millas) y varía desde los 20 grados de latitud sur hasta los 20 grados de latitud norte. Los colores rojizos muestran dónde disminuyen las olas. Galápagos está cerca del ecuador, desde donde desciende una amplia estructura similar a un penacho cerca de 1 grado de latitud norte a una profundidad de 1.900 km (alrededor de 1.200 millas).

Una foto tomada durante el desarrollo de las SIRENAS muestra una saliendo a la superficie después de haber registrado una ola sísmica. Una vez en la superficie, envía un sismograma vía satélite a los científicos. Simons y Nolet probaron los primeros prototipos de MERMAID con socios de investigación en la Institución Scripps de Oceanografía en La Jolla, California. Los prototipos registraron con éxito las ondas sísmicas, pero su idea siguió generando escepticismo debido al alto nivel de ruido de las olas del océano. Pero cuando Nolet pasó al estatus de emérito en Princeton en 2008 y se mudó a Geoázur en la Universidad de Niza en Francia, la financiación del Consejo Europeo de Investigación le permitió a él y a su ingeniero principal Yann Hello desarrollar completamente las sirenas, que desde entonces están disponibles comercialmente.

Estos dos instrumentos Son-O-Mermaid, una generación posterior de sensores sísmicos, fueron llevados a las Bermudas por Simons y su equipo para implementarlos en asociación con el Instituto de Ciencias Oceánicas de las Bermudas. En esta foto, los instrumentos están asegurados en la cubierta antes de desplegarlos en el agua. A diferencia de los sismómetros tradicionales del fondo del océano, que se colocan en ubicaciones estacionarias y deben recuperarse para obtener sus datos, MERMAID y Son-O-Mermaid se desplazan con las corrientes oceánicas e informan regularmente a los científicos mediante tecnología inalámbrica. Se pueden implementar varios por el mismo costo que un sismómetro de fondo marino.

Joel Simon, un estudiante de posgrado en geociencias de Princeton cuya investigación se centra en el análisis de los datos de Son-O-Mermaid, ajusta los cables y prepara el instrumento para una prueba. Simon fue a las Bermudas una semana antes del despliegue con los ingenieros para desempacar las piezas del instrumento del contenedor de envío y ensamblarlas.

Un instrumento Son-O-Mermaid se sujeta a una grúa y se baja al océano. A continuación, los investigadores enrollarán 1.000 metros (más de 3.200 pies) de cable que conectan la boya de superficie a los hidrófonos, micrófonos que registran el sonido en el agua, que "escuchan" los terremotos en el océano. Cuando se detecta un terremoto, el dispositivo envía un sismógrafo por correo electrónico a los científicos.

Harold "Bud" Vincent, profesor de investigación de la Universidad de Rhode Island y colaborador principal en el diseño y construcción de Son-O-Mermaid, prepara parte del instrumento antes de su despliegue. Después de que el primer prototipo fuera azotado por el huracán Sandy frente a las costas de las Bahamas en 2012, Simons y Vincent han trabajado para afinar Son-O-Mermaid durante los últimos tres años, ajustando parte del diseño para hacerlo más robusto.

Un instrumento Son-O-Mermaid en el agua. El equipo de investigación desplegó y recuperó las boyas varias veces para probar que todo funcionaba e identificar las torceduras restantes. Ahora, la tarea por delante es construir una nueva generación robusta de instrumentos Son-O-Mermaid para agregar al creciente número de registradores de terremotos en los océanos. Con cada nuevo instrumento desplegado, Simons y sus colegas ayudarán a completar la imagen del interior de nuestro planeta.

Esta semana, Nolet, Simons y un equipo internacional de investigadores publicaron los primeros resultados científicos de los revolucionarios flotadores sísmicos, denominados MERMAID: grabación móvil de terremotos en áreas marinas por buzos independientes. Los investigadores, de instituciones en los Estados Unidos, Francia, Ecuador y China, encontraron que los volcanes en Galápagos son alimentados por una fuente de 1.900 km de profundidad, a través de un conducto angosto que lleva roca caliente a la superficie. Tales "plumas del manto" fueron propuestas por primera vez en 1971 por uno de los padres de la tectónica de placas, el geofísico de Princeton W. Jason Morgan, pero han resistido los intentos de obtener imágenes sísmicas detalladas porque se encuentran en los océanos, rara vez cerca de estaciones sísmicas.

Las SIRENAS se desplazan pasivamente, normalmente a una profundidad de 1.500 metros, aproximadamente una milla por debajo de la superficie del mar, moviéndose de 2 a 3 millas por día. Cuando uno detecta un posible terremoto entrante, sube a la superficie, generalmente en 95 minutos, para determinar su posición con GPS y transmitir los datos sísmicos.

Al dejar que sus nueve robots flotaran libremente durante dos años, los científicos crearon una red artificial de sismómetros oceánicos que podrían llenar una de las áreas en blanco en el mapa geológico global, donde de otro modo no hay información sísmica disponible.

La temperatura inesperadamente alta que muestra su modelo en la pluma del manto de Galápagos "da una pista sobre el importante papel que juegan las plumas en el mecanismo que permite que la Tierra se mantenga caliente", dijo Nolet.

"Desde el siglo XIX, cuando Lord Kelvin predijo que la Tierra se enfriaría hasta convertirse en un planeta muerto dentro de cien millones de años, los geofísicos han luchado con el misterio de que la Tierra ha mantenido una temperatura bastante constante durante más de 4500 millones de años", explicó Nolet. . "Podría haberlo hecho solo si parte del calor original de su acumulación, y el creado desde entonces por los minerales radiactivos, pudiera permanecer encerrado dentro del manto inferior. Pero la mayoría de los modelos de la Tierra predicen que el manto debería estar convectándose vigorosamente y liberando este calientan mucho más rápidamente. Estos resultados del experimento de Galápagos apuntan a una explicación alternativa: el manto inferior bien puede resistir la convección y, en cambio, solo trae calor a la superficie en forma de penachos del manto como los que crean Galápagos y Hawai".

Para responder más preguntas sobre el balance de calor de la Tierra y el papel que juegan las plumas del manto en él, Simons y Nolet se han asociado con sismólogos de la Universidad de Ciencia y Tecnología del Sur (SUSTech) en Shenzhen, China, y de la Agencia de Japón. de Ciencias y Tecnologías Marinas y Terrestres (JAMSTEC). Juntos, y con embarcaciones proporcionadas por la flota de investigación francesa, están en el proceso de lanzar unos 50 MERMAID en el Pacífico Sur para estudiar la región de la pluma del manto debajo de la isla de Tahití.

"¡Estén atentos! Hay muchos más descubrimientos por venir", dijo Yongshun (John) Chen, ex alumno graduado de Princeton en 1989 y director del Departamento de Ciencias e Ingeniería Oceánicas de SUSTech, que está liderando la siguiente fase de lo que ellos y sus equipo internacional han llamado EarthScope-Oceans.

"Imágenes de la pluma del manto de Galápagos con una aplicación no convencional de sismómetros flotantes", por Guust Nolet, Yann Hello, Suzan van der Lee, Sébastien Bonnieux, Mario C. Ruiz, Nelson A. Pazmino, Anne Deschamps, Marc M. Regnier, Yvonne Font , Yongshun J. Chen y Frederik J. Simons Scientific Reports, 2019, doi: 10.1038/s41598-018-36835-w. Los MERMAID y su desarrollo fueron financiados por ERC Advanced Grant 226837 "Globalseis". La Universidad de Niza (ahora: Université de la Côte d'Azur) y el Observatoire de la Côte d'Azur contribuyeron con fondos adicionales e INOCAR proporcionó la embarcación que lanzó las SIRENAS.