Wetenschap

Mysterieuze golven pulseerden door Oklahoma

Een trilling die de hele zomer in de Amerikaanse staat werd geregistreerd stuurde geologen op een opmerkelijke speurtocht – en legde nieuwe mysteries bloot over de verplaatsing van energiegolven.dinsdag 17 september 2019

Door Maya Wei-Haas
Onweerswolken pakken zich samen boven een akker in Oklahoma. Geologen volgden het spoor van een ongebruikelijke trilling die door de Amerikaanse staat galmde en gedurende de zomer steeds frequenter werd en steeds verder reikte.

Het begon allemaal met een trilling die op 24 juni om even vóór 11.11 uur ’s ochtends door de staat Oklahoma galmde. Hij deed de ene na de andere seismometer uitslaan en leek over een afstand van vele honderden kilometers door de staat te pulseren. Dit was niet een golf die zomaar voorbij trok, maar eerder een geologische hartslag die soms wel tien minuten lang aanhield.

“Nou, dát is raar,” dacht geofysicus Jake Walter van de Oklahoma Geological Survey (OGS) destijds bij zichzelf. Hij had de regelmatige puls opgemerkt toen hij hem overal op het grote flatscreen in het seismische laboratorium van de OGS zag opduiken. Eerst dacht hij aan een technische storing van de waarnemingsapparatuur, maar als dat gebeurt, komt het foute signaal meestal van één instrument. Maar de trilling van die ochtend galmde door 52 waarnemingsstations in de hele staat.

Andrew Thiel, een OGS-analist die de taak kreeg om het mysterie te onderzoeken, wist eerdere, soortgelijke signalen minstens tot maart van dit jaar te herleiden. De hele zomer lang galmden de golven met toenemende frequentie, intensiteit en reikwijdte door de staat, soms wel twintig minuten achtereen. Maar ze deden zich altijd ’s ochtends voor – en nooit op zondag.

Na een speurtocht door een geologisch labyrint heeft zijn team nu tenminste een deel van het mysterie opgelost: de vreemde signalen waren afkomstig van een munitiefabriek van de Amerikaanse landmacht in McAlester. Maar ook al kennen ze nu de oorsprong, de kwestie is daarmee nog lang niet afgedaan. Wetenschappers verdiepen zich in de vraag hoe de golven over zulke grote afstanden door de staat konden pulseren en waarom ze in de loop der tijd veranderden.

“Er zijn nog steeds een heleboel vreemde raadsels,” zegt Joshua Carmichael van het Los Alamos National Laboratory, dat de seismische gegevens analyseerde nadat National Geographic het lab om commentaar had gevraagd.

Volgens Carmichael, die deel uitmaakt van een onderzoeksgroep die fysieke en wiskundige instrumenten ontwikkelt voor de detectie van nucleaire activiteiten in de wereld, is verder onderzoek naar deze gebeurtenissen zinvol voor de wetenschap. Ten eerste is het van belang om elk vreemd signaal dat voorbij rolt, tot zijn oorsprong te herleiden, zodat de onderzoekers leren om beter onderscheid te maken tussen doodgewone en uitzonderlijke signalen.

“Er wordt vaak ‘ruis’ door de stations opgevangen, bijvoorbeeld van een truck die voorbij dendert of een koe die langs een seismograaf loopt (geen grapje),” schrijft Thiel in een e-mail. Als de wetenschappers onderscheid kunnen maken tussen alle mogelijke bronnen, van vrachtwagens tot vee, dan kunnen ze aan de hand van een baseline de uitzonderlijke signalen eruit pikken – van interessante natuurverschijnselen tot buitenlandse nucleaire dreigingen, zoals de verre dreun van een kernwapentest.

“Het is altijd de moeite waard om dieper te graven en iets niet meteen terzijde te schuiven als het niet precies op een aardbeving lijkt,” zegt Elizabeth Cochran, seismologe bij de US Geological Survey.

‘De Anomalie’

Normale aardbevingen worden veroorzaakt door spanningen die heel langzaam in de aardkorst en de bovenste aardmantel worden opgebouwd, als gevolg van de verschuiving van tektonische platen of aardschollen. In Oklahoma worden veel lichte aardbevingen ook veroorzaakt door de injectie van afvalwater van olie- en gasboringen in gesteentelagen diep onder de grond.

Uiteindelijk bereiken de spanningen een ontladingspunt, waardoor de schollen met een plotselinge schok verschuiven, waarbij een hele reeks seismische golven worden uitgezonden. Terwijl de energie in die golven vanuit het epicentrum uitstraalt, splitsen de golven zich in verschillende soorten reeksen op: ten eerste de (primaire) P-golven, die een hoge frequentie hebben en zich longitudinaal (als een serie harmonica’s) door het aardoppervlak verplaatsen. Daarna volgen de (secundaire) S-golven, die een lage frequentie hebben en net als golven op het water transversaal zijn en het aardoppervlak als de deining van een oceaan op en neer doen bewegen.

In het geval van het uitzonderlijke signaal werden vreemd genoeg helemaal geen P-golven geregistreerd. Het signaal had ook een ongebruikelijk pulserend karakter, waarbij de golven in korte reeksen arriveerden, doorgaans met tussenpozen van twintig seconden. Sommige trillingen bereikten een magnitude van 2,2 op de Schaal van Richter. “We noemden het akoestische signaal ‘De Anomalie,’” schreef Thiel in een post op zijn blog waarin hij de gebeurtenis in alle detail beschrijft.

Met wat onderbrekingen onderzochten Thiel en zijn collega’s het geval gedurende ruim een maand. Al die tijd werd het signaal steeds frequenter en verbreidde het zich over een steeds groter stuk van de staat.

De golven – en het feit dat ze uitzonderlijk waren – waren niet alleen wetenschappers opgevallen. Meerdere mensen belden de Oklahoma Corporation Commission, die toeziet op de openbare nutsbedrijven van de staat, om de vreemde geluiden te melden, die ze beschreven als mini-explosies en doffe dreunen. Eén beller zei dat de trillingen deden denken aan ontploffingen in een steengroeve.

“Sommige inwoners beseften dat het om iets uitzonderlijks ging, anders dan de aardbevinkjes die ze eerder hadden gevoeld,” zegt een woordvoerder van de Commissie, Sarah Terry-Cobo. Onderzoekers gingen naar de woningen van de bellers om mee te luisteren, maar ze konden de vreemde geluiden niet thuisbrengen. “Het was voor ons zeer verbluffend, iets waarvoor we maar geen verklaring konden vinden,” zegt Terry-Cobo.

Het hart van de slag

Uiteindelijk wisten Carmichael en de OGS de boosdoener op het spoor te komen. Het signaal leek over het algemeen vanuit het zuidwesten door de staat te galmen, vanuit een gebied waar de McAlester Army Ammunition Plant staat. Daar maken explosies deel uit van het dagelijks werk, waarbij vensters trillen en stofwolken de lucht in schieten.

De bevestiging van dit vermoeden kwam op 16 augustus, toen Thiel contact opnam met Gideon Rogers, woordvoerder van de munitiefabriek. De werknemers daar waren al enige tijd bezig om elke ochtend rond 11.00 uur afgedankte munitie op te blazen, behalve op zondag. Tussen de explosies door werd telkens een pauze van zo’n twintig seconden in acht genomen.

Een verzoek om meer details over de explosies is nog in behandeling, maar Carmichael denkt dat de munitie in kleine clusters wordt opgedeeld en dan in reeksen tot ontploffing wordt gebracht, om te voorkomen dat de omgeving wordt opgeschrikt door één grote explosie. De reeksen kleine explosies kwamen overeen met de ongebruikelijke seismische ‘hartslag’ die in de hele staat was geregistreerd.

Het verwarrende pulseren van de golven kan deels zijn veroorzaakt door het feit dat de wetenschappers in hun speurtocht naar patronen te veel inzoomden op de gegevens, te vergelijken met het zoeken naar afzonderlijke verfvlekjes in een pointillistisch schilderij. Toen ze eenmaal wisten dat de bron in McAlester lag, dat verder naar het zuidoosten ligt dan de meeste waarnemingsstations, konden ze een stapje terug doen en het hele plaatje overzien. “We moesten gewoon op een andere manier naar de gegevens kijken dan we gewend waren,” zegt Thiel.

Door de grond of de lucht

Maar hoe het mogelijk was dat de energie van een reeks kleine explosies zich door de hele staat verplaatste, is voor de wetenschappers ook nu nog een verbluffend raadsel.

Uit schattingen van de snelheid van de golven blijkt dat ze veel langzamer door de bodem van Oklahoma galmden dan gebruikelijke seismische golven. Zo racen aardbevingsgolven met een snelheid van zo’n 3500 kilometer per uur of meer door het aardoppervlak. De golven in Oklahoma verplaatsten zich niet bepaald langzaam, maar met een supersonische snelheid van zo’n 1400 kilometer per uur toch veel langzamer dan seismische golven.

Een van de mogelijkheden is dat de seismometers geen seismische maar akoestische golven hebben opgepikt. Geluid kan zich over ongelooflijke afstanden verplaatsen, zegt Jeffrey Johnson van de Boise State University, expert in de methode om vulkanen aan de hand van infrageluid te bestuderen. En geluid wordt niet altijd door seismometers genegeerd.

Vooral bij explosies worden een grote hoeveelheid akoestische golven met verschillende frequenties uitgezonden. De geluidsgolven met de laagste frequenties, oftewel infrageluid, leggen de grootste afstanden af. Infrageluid kan de atmosfeer in schieten, waar de lucht geleidelijk aan afkoelt en vervolgens weer opwarmt. Deze lagen kunnen de geluidsgolven breken en in concentrische ringen terugkaatsen naar de aarde.

Dat soort geluiden zou de bodem kunnen doen vibreren, net zoals een diepe bas op de autoradio het dashboard aan het trillen kan brengen – of zelfs zonnepanelen die boven seismometers zijn gemonteerd. “Het zijn extreem gevoelige sensoren,” schrijft Thiel in zijn e-mail. “We hebben ze zelfs zover mogelijk uit de buurt van bomen geplaatst, om te voorkomen dat het gewieg van takken en bladeren in de wind de stammen en wortels van de bomen in beweging brengt en zo tot ruis op de sensoren leidt.” Volgens Johnson, die de analyse van de OGS over de gebeurtenis op verzoek van National Geographic bestudeerde, gaat het “definitief om akoestische golven.”

Ondergrondse trilling

Maar Carmichael spotte nog iets anders, waaruit bleek dat er niet alleen sprake was van geluidsgolven. De beweging van de pulserende golven die door veel seismometers was opgepikt, wees op de aanwezigheid van een oppervlaktegolf die vanuit de bron in de bodem uitstraalde. Volgens Carmichael is een trage oppervlaktegolf zeldzaam maar niet onmogelijk. Onder de juiste atmosferische en geologische omstandigheden zou zo’n golf een groot gebied kunnen bestrijken. “De natuur zorgt voor omstandigheden die ertoe leiden dat de golven zich op dusdanige wijze voortplanten dat we niet kunnen zeggen of ze akoestisch of seismisch zijn,” zegt hij.

Uit onderzoek naar explosies nabij het aardoppervlak, bijvoorbeeld tijdens een aanslag op een Amerikaanse legerbasis in Irak in 2006, blijkt dat de vrijgekomen energie zich via een wirwar van trajecten verspreidt. Een deel ervan verplaatst zich langs het grensvlak tussen aarde en lucht, en wel in een tweetal golven, waarbij de ene golf door het ondiepe oppervlak van de bodem rimpelt en de andere golf door de lucht vlak boven de grond.

Bij zo’n golvenpaar kunnen de afzonderlijke golven elkaar versterken en hun energie “uitsmeren”, zegt Carmichael. Daarbij verplaatsen beide golven zich met een gemiddelde snelheid – langzamer dan een oppervlaktegolf door de bodem, maar sneller dan een geluidsgolf door de lucht.

De situatie wordt nog ingewikkelder door weerkaatsende golven vanuit de lucht, want die kunnen eenmaal in de bodem met elkaar verbonden raken en andere golven die door de bodem rimpelen nog versterken. Volgens Johnson is zo’n golf inderdaad een mogelijkheid. Maar Thiel en Walter blijven sceptisch. “Ik zou ongelijk kunnen hebben,” geeft Carmichael toe, “maar het leuke van wetenschap is dat ook als je géén gelijk hebt, je altijd wat nieuws leert.”

Carmichael en het team van de OGS hopen samen meer inzichten op te doen terwijl ze zich door de enorme hoeveelheid gegevens werken en bestuderen hoe de waargenomen trends kunnen zijn beïnvloed door de atmosfeer en andere natuurlijke omstandigheden. Hopelijk zullen ze ook meer informatie ontvangen van de munitiefabriek en op basis daarvan meer gedetailleerde antwoorden vinden.

Carmichael vindt het opwindend om verder te graven: “Ik ben dol op het bestuderen van vreemde, mysterieuze signalen. Dat is spannend en het haalt de speurneus in mij naar boven.”

Dit artikel werd oorspronkelijk in het Engels gepubliceerd op NationalGeographic.com

lees verder

Mysterieuze golven die over de wereld galmden mogelijk verklaard

Mysterieuze golven die over de wereld galmden mogelijk verklaard

Een “uitzonderlijk verschijnsel” in de Comoren-archipel kan de verklaring zijn voor de laagfrequente seismische golven die vorig jaar de aarde rond galmden.
Seismisch mysterie mogelijk opgelost met baanbrekende aardbevingscatalogus

Seismisch mysterie mogelijk opgelost met baanbrekende aardbevingscatalogus

In een laboratorium nagebootste aardbevingen wijzen uit dat er al vóór een grote beving activiteit waar te nemen moet zijn, maar in de natuur was dit patroon niet zichtbaar. Tot nu.
Lees meer