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 utiliza más comúnmente para referirse a las señales de ruido sísmico y electromagnético de fondo dominantes en la Tierra, que son causadas por las ondas de 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 y prolongada 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 corporales también se detectan fácilmente con matrices. Debido a que la conversión de las olas del océano a ondas sísmicas es muy débil, la amplitud de los movimientos del suelo asociados a los microsismos generalmente no excede los 10 micrómetros.
Como se señaló temprano en la historia de la sismología, [10] los microsismos se detectan y miden muy bien por medio de un sismógrafo de período largo . 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 los 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 ondas de agua que los generan, y generalmente se denominan "microsismos primarios". El pico más fuerte, para períodos más cortos, también se debe a las ondas de gravedad superficiales en el agua, pero surge de la interacción de ondas con frecuencias casi iguales pero direcciones casi opuestas (el clapotis ). Estos temblores tienen un período que es la mitad del período de las ondas de agua y generalmente se denominan "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 lo conoce como el "zumbido de la Tierra". [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 involucra la interacción de ondas de infragravedad con la topografía del fondo oceánico. [13] Las fuentes dominantes de este componente de zumbido vertical probablemente se localizan a lo largo de la ruptura de la plataforma, la región de transición entre las plataformas continentales y las llanuras abisales.
Como resultado, desde los microsismos secundarios de período corto hasta los de período largo, este ruido sísmico contiene información sobre el estado del mar . Puede utilizarse para estimar las propiedades de las olas del océano y su variación, en escalas de tiempo de eventos individuales (de unas horas a unos 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 microsismo 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 microsismo observadas, y esto no es realista. En cambio, las características topográficas del fondo a pequeña escala no necesitan ser tan empinadas, 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 la topografía del fondo con oscilaciones alrededor de una profundidad media. [14]
En el caso de una topografía realista del fondo marino, que tenga 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 mecanismo principal de origen de los microsismos se limita a las regiones menos profundas del océano mundial (por ejemplo, menos de varios cientos de metros para una energía de las olas de 14 a 20 s).
La interacción de dos trenes de ondas superficiales de diferentes frecuencias y direcciones genera grupos de ondas . Para las ondas que se propagan casi en la misma dirección, esto da como resultado los conjuntos habituales de ondas que viajan a la velocidad de grupo, que es más lenta que la velocidad de fase de las ondas en el agua (ver animación). Para las ondas oceánicas típicas con un período de alrededor de 10 segundos, esta velocidad de grupo es cercana a los 10 m/s.
En el caso de dirección de propagación opuesta, los grupos viajan a una velocidad mucho mayor, que ahora es 2π( f 1 + f 2 )/( k 1 − k 2 ), siendo k 1 y k 2 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 números 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 sísmicos-acústicos que se irradian.
En lo que se refiere a las ondas sísmicas y acústicas, el movimiento de las olas oceánicas en aguas profundas es, en orden de magnitud , 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 ola . Debido a este cuadrado, no es la amplitud de los trenes de olas individuales lo que importa (líneas roja y negra en las figuras), sino la amplitud de la suma, los grupos de olas (línea azul en las figuras).
Las olas del océano real están compuestas por un número infinito de trenes de olas y siempre hay algo de energía propagándose en la dirección opuesta. Además, debido a que las ondas sísmicas son mucho más rápidas que las ondas de agua, la fuente de ruido sísmico es isotrópica: la misma cantidad de energía se irradia 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 que viaja en direcciones opuestas. Esto ocurre cuando el oleaje de una tormenta se encuentra con olas con el 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 sismológica terrestre puede ser representativo del estado del mar cercano a la estación (a unos cientos de kilómetros, por ejemplo en California Central) o de una cuenca oceánica completa (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 las partículas de agua como las de tierra sólida son desplazadas por las ondas a medida que se propagan, y la capa de agua juega un papel muy importante en la definición de la celeridad, la velocidad de grupo y la transferencia de energía de las ondas de agua superficial a las ondas de Rayleigh. La generación de ondas de Love de microsismo secundario implica la conversión de modos por batimetría no plana y, internamente, a través de la homogeneidad 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 subterráneos de la Tierra. Los microsismos observables a nivel mundial son generados por las olas del océano. 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 más altas en los hemisferios invernales correspondientes y las señales de microsismo se vuelven más pronunciadas. En contraste, durante los veranos hemisféricos, cuando las condiciones oceánicas y atmosféricas son relativamente más tranquilas, la señal de microsismo exhibe su intensidad anual más baja. 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 impulsadas por la energía de las olas del océano, las señales de microsismo alrededor de la Tierra también muestran grandes variaciones a 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 creciendo 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 corporales son un tipo de onda sísmica que se propaga a través del interior de la Tierra, distinta de las ondas superficiales. Estos microsismos son generados por diversas fuentes, incluidas las fluctuaciones de la presión atmosférica, las interacciones oceánicas y las actividades antropogénicas. A diferencia de las ondas superficiales, que se propagan predominantemente a lo largo de la superficie de la Tierra, los microsismos de ondas corporales se propagan a través de las capas más profundas de la Tierra. Se han reportado variaciones estacionales en el ruido de las ondas corporales, en consonancia con las diferencias en la actividad de tormentas entre el hemisferio norte y el hemisferio sur. [21]
Como lo evidencian los registros sísmicos, los microsismos de ondas corporales, 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 [23] . 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 efectivamente 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] . Por el contrario, los microsismos de ondas SH han sido menos estudiados y su mecanismo de generación sigue sin resolverse [22] . Un descubrimiento reciente encontró que su formación puede estar relacionada con una capa sedimentaria [27] . Dado el mecanismo de generación de microsismos de ondas corporales, estos pueden utilizarse a su vez para monitorear las olas oceánicas [28] y rastrear ciclones tropicales en registros sísmicos [29] .
