Gegalm in de ruimte

Sinds de jaren tachtig is bekend dat uit het inwendige van de aarde een constant `gebrom' komt. Het geluid bestaat uit een kakafonie van vele tientallen golven of trillingen, waarvan de perioden in de orde van honderden seconden liggen. Omdat de trillingen overal vandaan komen en eindeloos doorgaan, was het tot voor kort een raadsel waardoor ze werden veroorzaakt. Japanse onderzoekers hebben nu in het gebrom van de aarde twee effecten ontdekt die er op wijzen dat de oorzaak in de atmosfeer moet liggen. Die houdt met haar gezwoeg de gehele aarde constant in trilling.

Dat de vaste aarde trilt, is bekend sinds met seismometers naar aardbevingen wordt `geluisterd'. Aardbevingen veroorzaken trillingen die zich dwars door de aarde voortplanten en belangrijke informatie over de eigenschappen van het inwendige opleveren. Tijdens de zware aardbeving van 22 mei 1960 werd opgemerkt dat zulke bevingen de aarde als geheel op zijn eigenfrequenties kunnen doen trillen. Onze planeet kan tot op zekere hoogte worden vergeleken met een vrij in de ruimte zwevende klok, die af en toe door een beving (de klepel) in trilling wordt gebracht.

Eind jaren tachtig ontdekten onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology in Cambridge (VS) echter dat de aarde ook trilt als de golven van een aardbeving zijn uitgedoofd. Deze trillingen kwamen tevoorschijn toen de onderzoekers de ruisniveaus van hun steeds gevoeliger wordende seismometers bestudeerden. Men dacht dat het achtergrondgebrom ontstond door heel `langzame' of `stille' aardbevingen, waarbij opgehoopte spanningen geleidelijk en zonder het bezwijken van gesteente vrijkwamen.

In het midden van de jaren negentig gingen vooral Japanse onderzoekers zich met het geheimzinnige gebrom van de aarde bezig houden. In 1998 toonden Naoki Suda en Kazunari Nawa, verbonden aan de universiteit van Nagoya, aan dat het gebrom grotendeels uit vrije trillingen met perioden tussen ongeveer 2 en 8 minuten bestaat. Zij hadden dit afgeleid uit metingen die in het seismisch stille Zuid-Afrika en Oost-Antarctica waren verricht. De Japanners lieten ook zien dat het gebrom veel te sterk was om te kunnen worden veroorzaakt door het cumulatieve effect van grote aantallen heel zwakke – niet geregistreerde – aardbevingen.

Inmiddels had Naoki Kobayashi van het Technologisch Instituut in Tokio, voorspeld dat de oorzaak in de atmosfeer zou kunnen liggen. Convectiebewegingen in de atmosfeer zouden overal aan het oppervlak drukvariaties veroorzaken die zich als trillingen door de aarde voortplanten. Een oorzaak in de oceanen lag minder voor de hand, omdat de convectiebewegingen daarin energetisch veel zwakker zijn en de microseismische activiteit van oceanen vooral bij perioden rond de 10 seconden ligt.

In Science van 24 maart presenteren Kobayashi en zijn collega's nieuwe meetresultaten die zijn voorspelling bevestigen. De Japanners hebben de seismische metingen geanalyseerd die in de periode 1989 tot 1998 op 25 plaatsen op aarde werden verricht. De onderzoekers stelden eerst per meetpunt voor iedere dag een spectrogram samen dat het verband aangeeft tussen de periode en de intensiteit van de trillingen. De effecten van (bekende) aardbevingen, lokale trillingen en instrumentele ruis werden zo goed mogelijk uit de metingen verwijderd.

Vervolgens werden, om de signaal-ruisverhouding te vergroten, de spectrogrammen van alle meetpunten uit perioden van telkens één kwartaal bij elkaar opgeteld. Toen kwamen twee interessante verschijnselen uit de bus. Het eerste was dat de amplitude van alle trillingen – waarvan de perioden in dit geval tussen de 200 en 330 seconden liggen – een jaarlijkse variatie vertoont: in juli en augustus zijn de trillingen ongeveer 10 procent sterker dan in januari en februari. Het tweede was dat de trillingen met perioden van 220 en 270 seconden een grotere intensiteit hebben dan naburige trillingen en dat hun amplitude in de loop van het jaar met maar liefst 40 procent varieert.

De jaarlijkse variatie impliceert dat de oorzaak van de trillingen boven het aardoppervlak moet liggen: men kent geen processen in de aarde die zo'n seizoenvariatie zouden kunnen veroorzaken. De variatie blijkt bovendien precies in de pas te lopen met de jaarlijkse variatie in de gemiddelde hoeveelheid warmtestraling die de aarde de ruimte in zendt. Deze infraroodflux is een maat voor de intensiteit van de convectie in de atmosfeer en dus ook voor de mate waarin het aardoppervlak door deze atmosferische `klepels' in trilling wordt gebracht.

Pinatubo

De grotere intensiteit van de trillingen met perioden van 220 en 270 seconden betekent dat er op deze frequenties resonantie optreedt. De trillingen worden versterkt doordat hun frequenties overeenkomen met die van bepaalde akoestische golven in de atmosfeer: de vaste aarde resoneert een beetje met de atmosfeer mee. Zo'n resonantie-effect is al eerder waargenomen tijdens de zware uitbarsting van de Pinatubo (op de Filippijnen) op 15 juni 1991. Toen registreerden seismometers overal op aarde urenlang twee seismische golven met perioden van 228 en 270 seconden. De thermische puls van de vulkanische eruptie had in de atmosfeer twee staande golven doen ontstaan, die op hun beurt het gebrom van de aarde op deze frequenties versterkten.

Kobayashi heeft berekend dat ook Venus en Mars een meetbaar gebrom zouden kunnen produceren, ondanks het feit dat die planeten sterk verschillen van aarde. Als er op deze planeten – zoals men nu denkt – slechts zelden `aardbevingen' plaatsvinden, zou hun gebrom kunnen worden aangewend voor het bestuderen van hun inwendige structuur. Tijdens een toekomstige Marsvlucht willen de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA en haar Franse tegenhanger CNES vier seismometers naar Mars brengen, die naar mogelijke trillingen uit het inwendige van deze planeet moeten luisteren.