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Un equipo de científicos ha confirmado que 458 «sismotruenos» provocados por tormentas pueden utilizarse para obtener imágenes del terreno hasta unos 100 metros de profundidad y revelar estructuras geológicas que permanecían ocultas. El hallazgo convierte algo tan cotidiano como el estruendo de un trueno en una inesperada herramienta para explorar el subsuelo.
La investigación, publicada en Science Advances, demuestra por primera vez que las ondas generadas cuando la energía acústica del trueno se transmite al suelo pueden aprovecharse para realizar tomografía sísmica. Y hay un detalle especialmente sugerente: para escucharlas, los investigadores no necesitaron desplegar una enorme red de sismómetros. Utilizaron cables de fibra óptica de telecomunicaciones que ya estaban enterrados bajo el campus de la Universidad Estatal de Pensilvania (Penn State).
El resultado abre una posibilidad insólita: utilizar las tormentas como fuentes naturales de energía sísmica para estudiar lugares donde escasean los terremotos, desplegar equipos resulta caro o el subsuelo urbano es difícil de investigar. El cielo, literalmente, podría ayudarnos a mirar bajo nuestros pies.
Cuando un trueno no termina en el cielo
Un relámpago calienta violentamente el aire que encuentra a su paso y genera ondas de presión que percibimos como un trueno. Pero una parte de esa energía no se limita a viajar por la atmósfera: al alcanzar la superficie puede acoplarse al terreno y transformarse en ondas sísmicas. Son esas diminutas sacudidas las que los investigadores denominan thunderquakes y que podríamos traducir, de manera divulgativa, como «sismotruenos».
El fenómeno no era desconocido. El problema era convertir ese ruido sísmico extraordinariamente complejo en información útil. Un trueno no se comporta como una fuente sísmica sencilla y perfectamente localizada, sino que procede de un canal de descarga irregular que puede extenderse por el cielo y generar múltiples frentes acústicos. Reconstruir qué ocurre cuando toda esa energía llega al terreno ha sido durante años una tarea difícil.
Aquí entra en escena una tecnología llamada detección acústica distribuida, o DAS por sus siglas en inglés, capaz de transformar un cable de fibra óptica en una larguísima red de sensores. En lugar de instalar miles de instrumentos independientes, se envían pulsos láser por la fibra y se analizan minúsculas variaciones en la luz que regresa. Cuando una onda sísmica estira o comprime ligeramente el cable, deja una señal detectable.
Cordon Press
Los investigadores utilizaron aproximadamente 4 kilómetros de fibra óptica de telecomunicaciones ya existente bajo el campus de Penn State. El sistema podía realizar cientos de mediciones por segundo en puntos separados por apenas unos metros, ofreciendo una resolución suficiente para seguir el delicado tránsito de la energía desde la atmósfera hasta la Tierra.
Y aquí aparece la cifra que cambia la historia: el equipo analizó 2,5 años de registros continuos y construyó un catálogo de 458 sismotruenos de alta calidad, contrastados además con registros de rayos. Ya no estaban observando una curiosidad producida por una tormenta aislada, sino un conjunto de datos suficientemente amplio como para intentar convertir el estruendo del cielo en una herramienta geofísica.
Una radiografía que descubrió zonas débiles bajo tierra
La clave está en una técnica llamada tomografía sísmica. Su principio recuerda, salvando las distancias, al de una exploración médica: las ondas cambian de velocidad y comportamiento dependiendo de los materiales que atraviesan, por lo que registrarlas desde numerosos puntos permite reconstruir las propiedades del interior sin necesidad de excavarlo.
Normalmente, esas ondas proceden de terremotos o de fuentes sísmicas generadas específicamente para una prospección. Pero el equipo dirigido por Tieyuan Zhu y con Nolan Roth como primer autor probó otra posibilidad: dejar que las tormentas proporcionasen la energía y utilizar la fibra óptica para registrar su viaje por el terreno.
Shutterstock
Rayo de tormenta sobre campos de España.
Los científicos identificaron ondas de Rayleigh coherentes asociadas a los sismotruenos y, mediante técnicas de interferometría, apilamiento de señales y modelización, reconstruyeron la velocidad de las ondas de corte bajo el campus. La imagen resultante alcanzó aproximadamente los 100 metros de profundidad.
Y entonces apareció la sorpresa. La tomografía reveló varias zonas débiles del subsuelo que no habían sido detectadas previamente. El campus se encuentra sobre un terreno kárstico, un tipo de paisaje desarrollado sobre rocas solubles (como la caliza) donde el agua puede generar fracturas, cavidades y otras irregularidades bajo la superficie.
No se trataba simplemente de manchas misteriosas en una imagen experimental. Los investigadores compararon los resultados con datos independientes procedentes de sondeos, estudios de ingeniería y mediciones de deformación superficial realizadas mediante radar de apertura sintética interferométrica (InSAR). Algunas de las anomalías coincidían con lugares donde el terreno mostraba deformación en superficie, reforzando la interpretación de que la técnica estaba detectando estructuras geológicas reales.
Science
Esquema de la trayectoria de los rayos que generan un sismo sísmico. Las ondas acústicas directas provenientes del rayo (T1 y T2) se acoplan al suelo y al entorno, creando ondas propagantes y ondas superficiales. La suma de todas estas ondas constituye el campo de ondas sísmicas observado por el sistema DAS.
Ese detalle convierte el trabajo en algo más que una demostración llamativa. Los sismotruenos podrían proporcionar información sobre zonas fracturadas, sedimentos poco consolidados o materiales con mayor presencia de agua. Y precisamente esas características pueden ser relevantes al estudiar riesgos asociados a terrenos kársticos, cavidades y posibles hundimientos.
De buscar socavones a explorar otros mundos
Las aplicaciones potenciales van mucho más allá de un campus universitario. La tomografía del subsuelo se utiliza para investigar deslizamientos, aguas subterráneas, recursos minerales, volcanes, cámaras magmáticas y estabilidad del terreno, además de proporcionar información importante antes de construir determinadas infraestructuras.
El método posee otra ventaja: aprovecha fenómenos naturales y una infraestructura que ya atraviesa innumerables ciudades. Las redes de fibra óptica podrían convertirse, bajo determinadas condiciones, en gigantescos instrumentos geofísicos sin necesidad de excavar el terreno para instalar miles de sensores. Esto podría resultar especialmente interesante en áreas urbanas muy reguladas, regiones remotas o lugares con poca actividad sísmica natural.
No significa, sin embargo, que cada tormenta vaya a producir automáticamente una perfecta radiografía subterránea. El trabajo es una prueba de concepto y todavía será necesario comprobar hasta qué punto puede generalizarse a otros terrenos, redes de fibra y condiciones meteorológicas. La complejidad de la interacción entre la atmósfera y la superficie sigue siendo precisamente uno de los grandes retos del método.
Pero hay otro detalle que amplía el horizonte. El principio físico no tiene por qué limitarse al trueno. Estallidos meteóricos, erupciones volcánicas o fuertes ondas de choque atmosféricas también pueden transferir energía al suelo, lo que plantea la posibilidad de encontrar nuevas fuentes naturales para obtener información sísmica.