Cientistas usam trovoadas e fibra óptica para radiografar o subsolo

Trovoadas como fonte de dados geológicos parece ideia de ficção científica, mas é exactamente isso que uma equipa da Universidade Penn State andou a testar. Em vez de esperar por sismos naturais ou detonar explosivos para gerar ondas sísmicas, os investigadores pegaram em algo banal no verão norte-americano: trovões. E descobriram que estes “thunderquakes” podem servir para fazer imagiologia detalhada dos primeiros quilómetros da crosta terrestre.

A lógica é simples na teoria. Tudo o que sabemos sobre o interior da Terra vem de ondas sísmicas que atravessam diferentes materiais a velocidades distintas. Normalmente isto significa aproveitar terramotos ou criar vibrações com maquinaria pesada e explosivos, o que é caro, intrusivo e pouco popular perto de zonas habitadas. Os trovões, por outro lado, são gratuitos. Cada relâmpago cria uma espécie de fio de bolhas de plasma super-aquecidas, uma “corrente de contas” onde cada conta lança uma onda de choque acústica. O resultado é uma cadeia de frentes de onda que se propagam pela atmosfera e acabam por bater no solo.

É aqui que a coisa complica. Essas ondas de choque atingem solos moles, rocha dura, betão, túneis, canalizações. Parte da energia converte-se em ondas de superfície, chamadas Rayleigh, que se espalham ao longo da crosta. Outra parte entra em profundidade, atravessa camadas de sedimentos, fraturas, lençóis de água e, finalmente, o embasamento rochoso. Cada trovoada é um caos único. Modelar isto de forma útil parecia ambição a mais, motivo pelo qual a maior parte dos sismólogos nem se deu ao trabalho até agora.

A equipa de Penn State decidiu arriscar usando o SPECFEM3D Cartesian, um software criado para simular em 3D a propagação de ondas sísmicas. Para o adaptar a trovoadas, tiveram de aceitar compromissos pouco elegantes: o programa trata a atmosfera como uma camada homogénea com 3,6 km de espessura, quando uma trovoada real é tudo menos homogénea, e a interface ar‑Terra é “esticada” artificialmente, com os primeiros 20 metros de solo a representarem 200 metros. É uma caricatura do mundo real, mas suficiente para gerar um modelo de referência do que seria um thunderquake típico, contra o qual comparar medições reais.

Para medir essas vibrações, os investigadores recorreram a um truque que vai interessar a qualquer pessoa que olhe para uma rede de dados e veja mais do que cabos: usar fibra óptica como sismómetro. O campus de Penn State tem um troço de 4 km de fibra enterrada dedicado a detecção sísmica. Com dois anos de registo e cruzando os dados com a National Lightning Detection Network, conseguiram isolar 458 thunderquakes bem definidos. Cada evento mostra múltiplos sinais a chegar de altitudes diferentes, tal como se esperaria de um relâmpago que se estende das nuvens ao solo, e depois um padrão complexo à medida que as ondas se espalham pela superfície e em profundidade.

O ponto crítico é que, apesar de toda a aproximação grosseira do modelo, os padrões observados na fibra óptica batiam certo com as simulações em 3D. Isto permitiu reconstruir a estrutura do subsolo sob o campus, distinguindo camadas superficiais soltas do bedrock mais rígido em profundidade. A validação abre uma porta interessante: usar um recurso omnipresente em zonas temperadas, as trovoadas de verão, mais a malha de fibra óptica já instalada para ir fazendo “ecografias” regulares da crosta em redor de cidades, infra-estruturas críticas ou até áreas costeiras vulneráveis. A mesma rede que hoje se discute em termos de latência e largura de banda, e onde já surgem propostas de fibras especiais para centros de dados como as descritas em esta fibra oca quer redesenhar o mapa dos centros de dados, começa a ganhar um segundo emprego: ouvir a Terra. Não é barato nem trivial, mas é uma forma muito humana de olhar para o céu, ouvir o trovão e aproveitar a oportunidade para espreitar o que se passa lá em baixo.

Fonte: Ars Technica