نظرية جديدة للموجات الصوتية في أعماق المحيطات قد تساعد في اكتشاف تسونامي

توصلت دراسة إلى أن الموجات السطحية يمكن أن تطلق موجات صوتية قوية تتسابق عبر أعماق المحيطات.
جينيفر تشو | مكتب أخبار معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا
تاريخ النشر: 1 مارس 2016
استفسارات صحافية
يقول أسامة قادري: “بدون الانضغاط والجاذبية ، لا يمكننا وصف الموجات الصوتية منخفضة التردد بشكل صحيح”. “هذا هو أحد الأسباب التي جعلت الباحثين يغفلون في الغالب عن موجات الجاذبية الصوتية.”
التسمية التوضيحية: “بدون الانضغاطية والجاذبية ، لا يمكننا وصف الموجات الصوتية منخفضة التردد بشكل صحيح” ، كما يقول أسامة قادري. “هذا هو أحد الأسباب التي جعلت الباحثين يغفلون في الغالب عن موجات الجاذبية الصوتية.”
الاعتمادات: رسم توضيحي: كريستين دانيلوف / معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا
أسامة قادري
التسمية التوضيحية: أسامة قادري
قروض: الصورة: ليديا بدارنة
الصورة السابقة الصورة التالية
موجات الجاذبية الصوتية هي موجات صوتية طويلة جدًا تخترق أعماق المحيط بسرعة الصوت. يمكن لهذه التيارات السريعة البرق أن تجتاح الماء والمواد المغذية والأملاح وأي جزيئات أخرى في أعقابها ، في أي عمق مائي. عادة ما تنجم عن أحداث عنيفة في المحيط ، بما في ذلك الزلازل تحت الماء والانفجارات والانهيارات الأرضية وحتى النيازك ، وهي تحمل معلومات حول هذه الأحداث حول العالم في غضون دقائق.

حدد الباحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا الآن مصدرًا أقل دراماتيكية ولكنه أكثر انتشارًا لموجات الجاذبية الصوتية: أمواج المحيط السطحية ، مثل تلك التي يمكن رؤيتها من الشاطئ أو سطح القارب. هذه الموجات ، المعروفة باسم موجات الجاذبية السطحية ، لا تسافر بسرعة أو بعيدة أو عميقة مثل موجات الجاذبية الصوتية ، ولكن في ظل الظروف المناسبة ، يمكنها توليد موجات صوتية قوية وسريعة الحركة ومنخفضة التردد.

طور الباحثون نظرية عامة تربط موجات الجاذبية بالموجات الصوتية. وجدوا أنه عندما تتأرجح موجتان من الجاذبية السطحية ، تتجهان نحو بعضهما البعض ، بتردد مماثل ولكن ليس متطابقًا ، فإن تفاعلهما يمكن أن يطلق ما يصل إلى 95 بالمائة من طاقتهما الأولية في شكل موجة صوتية ، والتي بدورها تحمل هذا الطاقة ويسافر بشكل أسرع وأعمق.

قد يحدث هذا التفاعل في أي مكان في المحيط ، لا سيما في المناطق التي تتفاعل فيها موجات الجاذبية السطحية عندما تنعكس من الجرف القاري ، حيث يواجه أعماق البحار فجأة خطًا ساحليًا ضحلًا كثيرًا.

يقول أسامة قادري ، أستاذ مساعد زائر وأحد الباحثين في قسم الرياضيات بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، إن نتائج الفريق تؤسس علاقة ملموسة ومفصلة بين موجات الجاذبية السطحية وموجات الجاذبية الصوتية ، والتي كان العلماء يشتبهون في عدم وجودها حتى الآن. يقول إن فهم هذه العلاقة يسمح للباحثين بوصف كيفية تبادل الطاقة بين الجاذبية والموجات الصوتية. يقول إن هذه الطاقة يمكن أن تكون حيوية للعديد من أشكال الحياة البحرية ، ويمكن أن تلعب دورًا في نقل المياه وإعادة توزيع ثاني أكسيد الكربون والحرارة إلى المياه العميقة ، وبالتالي الحفاظ على بيئة بحرية صحية.

قام قادري وزميله ، Triantaphyllos Akylas ، أستاذ الهندسة الميكانيكية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، بنشر نتائجهم في مجلة ميكانيكا الموائع.

التكيف مع العالم الحقيقي

بالنسبة للجزء الأكبر ، تم اعتبار موجات الجاذبية والموجات الصوتية كيانات منفصلة تمامًا ، ليس لأحدها أي تأثير على الآخر. وذلك لأن خصائصها مختلفة جدًا ، من حيث الطول والنطاق الزمني. في حين أن الجاذبية هي القوة الرئيسية التي تعمل على استعادة واستقرار موجات الجاذبية السطحية (ومن هنا الاسم) ، فإن تأثيرها على الموجات الصوتية لا يكاد يذكر. من ناحية أخرى ، فإن حقيقة أن الماء قابل للضغط قليلاً هو ما يسمح لموجات الضغط ، مثل الصوت ، بالانتقال عبرها ، على الرغم من أن هذه الخاصية ليس لها أي تأثير تقريبًا على الموجات السطحية.

يقول Kadri إن معادلات موجات الماء النموذجية المستخدمة لوصف تفاعلات موجات المحيط لا تنطبق على موجات الجاذبية الصوتية ، لأنها لا تؤثر في الانضغاطية وتأثيرات الجاذبية.

يقول Kadri: “بدون الانضغاط والجاذبية ، لا يمكننا وصف الموجات الصوتية منخفضة التردد بشكل صحيح”. “هذا هو أحد الأسباب التي جعلت الباحثين يغفلون في الغالب عن موجات الجاذبية الصوتية.”

اشتق Kadri معادلة موجية تتضمن الانضغاط والجاذبية بالإضافة إلى المصطلحات غير الخطية ذات الرتبة الأعلى.

“في النظرية الخطية ، موجتان من الجاذبية السطحية تتحركان تجاه بعضهما البعض لا تشعران ببعضهما البعض ؛ يشرح قدري: “يقتربون ويمرون من بعضهم البعض ، ثم يبتعدون دون تبادل أي شكل من أشكال الطاقة ، كما لو أنهم لم يلتقوا أبدًا”. ومع ذلك ، فإن الصورة في الواقع أكثر تعقيدًا ، وقد تلعب التأثيرات غير الخطية دورًا ، مما يؤدي إلى تبادل الطاقة وحتى توليد موجات جديدة ، في بعض الأحيان. هنا ، في نطاقات تردد محددة ، يمكن أن تنتج موجات الجاذبية في الواقع موجة صوتية لها خصائص مختلفة تمامًا – وهذا أمر مذهل. “

ما يجري في قلبي

سمحت معادلة الموجة المشتقة حديثًا لكادري بدراسة سلوك كل من الموجات الصوتية وموجات الجاذبية. قام بتحليل التفاعلات النظرية داخل ثالوث موجي يتكون من موجتين من الجاذبية السطحية وواحدة أكوس

موجة الجاذبية. في عام 2013 ، أثبت عدديًا أن هذا التكوين للموجات يجب أن يتردد صدا ، أو يتبادل الطاقة ، مما يعني أنه عندما تتذبذب اثنتان من الموجات الثلاثة ، يجب أن تدفع الموجة الثالثة للتذبذب استجابةً لذلك. الآن ، باستخدام معادلة الموجة المعدلة ، جنبًا إلى جنب مع تحليل المقاييس المتعددة ، اشتق ما يسمى “معادلات التطور” لوصف كيفية تغير اتساع الموجات الثلاث أثناء تبادل الطاقة.

والمثير للدهشة أنه حسب أنه إذا كانت موجتان سطحيتان تتدفقان باتجاه بعضهما البعض بنفس التردد والسعة تقريبًا ، حيث تلتقيان وتتدحرجان عبر بعضهما البعض ، فإن غالبية طاقتهما – حتى 95 بالمائة – يمكن تحويلها إلى موجة صوتية ، أو صوتية – موجة الجاذبية. يمكن أن تتقلب هذه الطاقة ، اعتمادًا على السعات الأولية والترددات لموجات الجاذبية السطحية. حتى عندما تنتقل موجات الجاذبية السطحية في شكل رشقات نارية قصيرة ، فلا يزال بإمكانها نقل أكثر من 20 بالمائة من طاقتها إلى موجات الجاذبية الصوتية ، وهي كمية لا يمكن إهمالها.

يقول قدري: “هذا أمر لا يصدق ، مجرد التفكير في أن هذه الموجات مختلفة تمامًا”. “إن تقاسمهم للطاقة أمر مثير حقًا ؛ يشرح هذا كيف أن بعض الطاقة التي تأتي من الغلاف الجوي ، من الشمس والرياح ، إلى الجزء العلوي من المحيط ، يمكن دفعها في الواقع إلى التدحرج في أعماق المحيط من خلال موجات الجاذبية الصوتية “.

يقول قدري إن النتائج قد تساعد العلماء على ربط التفاعلات ليس فقط بين مياه المحيطات السطحية والعميقة ، ولكن أيضًا مع قوى الغلاف الجوي التي تؤثر على الموجات السطحية.

الآن ينقل Kadri هذا الفهم الجديد لتفاعلات الموجة إلى تطبيق مهم: اكتشاف تسونامي. إنه يعمل مع معهد وودز هول لعلوم المحيطات لتصميم نظام لاكتشاف موجات الجاذبية الصوتية التي تسبق تسونامي ، والتي تسافر بأكثر من 10 أضعاف سرعة الموجة الأكثر تدميراً.

يقول قدري: “يمكن لحالات البحر الشديدة ، مثل تسونامي ، والأمواج المارقة ، والعواصف ، والانهيارات الأرضية ، وحتى سقوط النيازك ، أن تولد جميعًا موجات الجاذبية الصوتية”. “نأمل أن نتمكن من استخدام هذه الموجات لضبط الإنذار المبكر للحالات البحرية الشديدة بشكل عام وأمواج تسونامي على وجه الخصوص ، وربما إنقاذ الأرواح.”