رمزگشایی زمین از آسمان؛ رعدوبرق چگونه می‌تواند ساختارهای پنهان زیر سیاره را فاش کند؟

رعدوبرق فقط یک نمایش نوری و صوتی در آسمان نیست. پژوهشگران نشان داده‌اند غرش رعد می‌تواند اطلاعاتی درباره ساختارهای پنهان زیر زمین در اختیار ما بگذارد؛ روشی که شاید در آینده راهی ارزان‌تر برای بررسی زیرساخت‌های زمین‌شناسی شهرها باشد.

رعدزلزله‌ها (Thunderquakes) به لرزش‌های بسیار کوچکی گفته می‌شود که براثر انتقال انرژی امواج رعدوبرق به زمین ایجاد می‌شوند. وقتی صاعقه رخ می‌دهد، موج فشاری حاصل از آن در هوا حرکت می‌کند، اما بخشی از این انرژی به سطح زمین منتقل می‌شود و لرزش‌های بسیار ضعیفی ایجاد می‌کند.

چنین لرزش‌هایی برای انسان قابل احساس نیستند، اما با تجهیزات حساس، ازجمله کابل‌های فیبر نوری، می‌توان آن‌ها را ثبت کرد. دانشمندان از این سیگنال‌ها برای ساخت تصویری از لایه‌های نزدیک سطح زمین استفاده کرده و توانسته‌اند ساختارهای زیرزمینی را تا عمق حدود ۱۰۰ متر بررسی کنند.

پژوهشگران دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا با تحلیل داده‌های ثبت‌شده توسط کابل‌های فیبر نوری زیر محوطه این دانشگاه، نقشه‌ای از زمین‌شناسی اطراف خود تهیه کردند. آن‌ها در این داده‌ها بیش از ۴۵۰ رعدزلزله را که درطول دو سال و نیم ثبت شده بود، بررسی کردند و توانستند مناطقی با ساختار ضعیف در زیر زمین را شناسایی کنند؛ مناطقی که ممکن است در آینده در معرض خطرهایی مانند ایجاد فروچاله قرار داشته باشند.

کابل‌های فیبر نوری که امروزه برای ارتباطات اینترنتی و مخابراتی استفاده می‌شوند، در بسیاری از شهرها کیلومترها زیر زمین کشیده شده‌اند. اما همه رشته‌های موجود در این شبکه‌ها همیشه فعال نیستند. دانشمندان در سال‌های اخیر به دنبال راه‌هایی بوده‌اند تا از این کابل‌های بلااستفاده که به آن‌ها «فیبر تاریک» گفته می‌شود، به‌عنوان حسگرهای علمی استفاده کنند.

به نوشته ساینس‌نیوز، ایده استفاده از فیبر نوری برای اندازه‌گیری لرزش زمین نخستین بار برای ثبت زمین‌لرزه‌ها و فعالیت‌های زیرسطحی بررسی شد. در سال ۲۰۱۹، گروهی از پژوهشگران دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا تصمیم گرفتند آزمایش کنند آیا همین فناوری می‌تواند امواج ناشی از رعدوبرق را نیز ثبت کند یا نه.

وقتی موج صوتی رعدوبرق به زمین برخورد می‌کند، انرژی آن باعث حرکت بسیار کوچکی در سطح زمین می‌شود. این حرکت، کابل فیبر نوری را اندکی تغییر شکل می‌دهد. همین تغییر بسیار کوچک باعث می‌شود زمان عبور نور درون کابل کمی تغییر کند؛ تغییری که دانشمندان می‌توانند اندازه‌گیری و تحلیل کنند. این فرآیند شبیه کاری است که لرزه‌نگارها انجام می‌دهند؛ با این تفاوت که به جای حسگرهای لرزه‌ای معمول، از شبکه‌های فیبر نوری موجود استفاده می‌شود.

محوطه دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا روی یک منطقه کارستی قرار دارد؛ مناطقی که به دلیل وجود سنگ آهک، غارها و شکاف‌های زیرزمینی، ساختار پیچیده‌ای دارند. چنین مناطقی بیشتر در معرض ایجاد حفره‌های زیرزمینی و فروچاله هستند.

تصاویر به‌دست‌آمده از رعدزلزله‌ها چند منطقه ضعیف در لایه‌های سنگ آهکی زیر دانشگاه را نشان دادند که پیش از این شناسایی نشده بودند. پژوهشگران برای اطمینان از این یافته‌ها، نتایج را با اطلاعات چاه‌های حفاری‌شده در زمین و همچنین داده‌های ماهواره‌ای مربوط به تغییر شکل سطح زمین مقایسه کردند.

بررسی ساختارهای زیرزمینی معمولاً به تجهیزات تخصصی، حفاری یا شبکه‌ای از حسگرهای لرزه‌ای نیاز دارد که می‌تواند پرهزینه باشد. پژوهشگران می‌گویند رعدزلزله‌ها می‌توانند گزینه‌ای ساده‌تر و کم‌هزینه‌تر باشند؛ زیرا از زیرساخت‌هایی استفاده می‌کنند که در بسیاری از شهرها از قبل وجود دارد.

هر طوفان همراه با رعدوبرق می‌تواند سیگنال‌هایی ایجاد کند که منطقه‌ای به وسعت چندین کیلومتر مربع را پوشش می‌دهد. به همین دلیل، شهرهایی که شبکه گسترده فیبر نوری دارند، ممکن است در آینده بتوانند از کابل‌های ارتباطی خود برای بررسی وضعیت زمین زیر پای شهروندان استفاده کنند.

پژوهشگران حتی احتمال می‌دهند چنین روشی در آینده برای مطالعه اجرام دیگر نیز کاربرد داشته باشد. برای مثال، تیتان، قمر زحل، که طوفان‌های عظیم و طولانی‌مدت دارد، می‌تواند یکی از گزینه‌های احتمالی برای بررسی‌های لرزه‌ای با این روش باشد.

پژوهش در ژورنال Science Advances منتشر شده است.