De explosieve uitbarsting van een onderzeese vulkaan bij de eilandengroep Tonga op 15 januari 2022 ging gepaard met verschillende soorten golven in atmosfeer, oceaan en vaste aarde. De zogenaamde Lamb-golven gingen tot wel 5 keer toe de hele aarde over.
Geostationaire weersatellieten draaien hoog boven de evenaar met de aarde mee en kunnen op die manier continu hetzelfde deel van de aarde bekijken. De Japanse weersatelliet Himawari-8 heeft zicht op de Stille Oceaan, waar de vulkaanuitbarsting bij de eilandengroep Tonga plaatsvond. In opnames van deze satelliet is te zien hoe de explosieve uitbarsting drukgolven opwekt die zich in cirkels uitbreiden vanuit het punt waar de uitbarsting plaatsvond (figuur 1).
Door metingen van verschillende satellieten te combineren kan de golf over de hele aarde gevolgd worden
De krachtigste drukgolven wordt in andere delen van de wereld opgepikt door de Europese Meteosat- en de Amerikaanse GOES-satellieten. Deze meten elke 10 of 15 minuten de sterkte van het licht dat door de aarde en de atmosfeer in verschillende golflengtes wordt gereflecteerd en uitgezonden. Hierbij gaat het om zichtbaar licht en infrarood licht, dat grotere golflengtes heeft. De sterkte van het infrarode licht is een maat voor de temperatuur van de moleculen die dat licht uitzenden. Op basis van infraroodbeelden kunnen satellieten daarom informatie geven over de temperatuur. Als gevolg van de drukvariaties in de golf ontstaan kleine afwijkingen - van een paar tiende graad - in de temperatuur die de satelliet in de verschillende infraroodkanalen registreert (door lucht samen te persen, stijgt de temperatuur, denk bijvoorbeeld aan een fietspomp). Door deze kortdurende afwijkingen in de satellietmetingen versterkt naar boven te halen, kan de golf in beeld worden gebracht. En door de metingen van verschillende satellieten te combineren kan de golf over de hele aarde gevolgd worden (figuur 2).
De snelheid van de golf is rond de 1100 km/uur, iets langzamer dan de geluidssnelheid. Na vijftien uur bereikt het eerste golffront Nederland en dat is zichtbaar in metingen van de luchtdruk (zie ook verderop in dit artikel). Enkele uren later komt de golf samen in het noorden van Afrika in de zogenoemde antipode: het punt dat precies aan de andere kant van de wereld ligt ten opzichte van Tonga. Daarna vervolgt de golf zijn weg terug naar het punt waar hij is ontstaan om vervolgens aan een tweede ronde te beginnen. Dit verloop komt in grote mate overeen met simulaties van de opgewekte drukgolven door onderzoekers van de Universiteit van Hamburg met hun computermodel van atmosferische golven (figuur 3). Na elk rondje rond de aarde dat ongeveer 36 uur in beslag neemt, is de amplitude van de golf verder in amplitude afgenomen. In totaal zijn 5 rondjes rond de wereld gemeten. De computerberekeningen blijken goed overeen te komen met de metingen.
Lamb-golven behoren tot de akoestische-zwaartegolven
Deze drukgolven heten Lamb-golven en worden naast grote explosies als vulkaanuitbarstingen en testen met nucleaire bommen ook opgewekt door sterk stijgende bewegingen in grote tropische buien. Lamb-golven behoren tot de klasse van akoestische-zwaartegolven. Ze lijken op geluidsgolven in de zin dat de golven zich voortplanten als verdunningen en verdichtingen van de lucht in de richting van de voortplantingsrichting, ook wel longitudinale golven genoemd. De trillingstijd van dit type golven kan variëren van minuten tot uren. Doordat de luchtverplaatsingen bij dit type golven zo groot zijn, krijgt de zwaartekracht ook vat op de deeltjes beweging, in tegenstelling tot pure geluidsgolven. Lamb-golven zijn oppervlaktegolven, waarvan de uitwijking het grootst is dichtbij het aardoppervlak. Karakteristiek is dat de invloed van de Lamb-golf exponentieel met hoogte afneemt: op 10 kilometer hoogte is de uitwijking van de golf al met de helft afgenomen. De voorplantingsrichting is uitsluitend horizontaal.
Naast de Lamb-golven zijn er door de explosieve uitbarsting ook veel zwaartegolven opgewekt (figuur 4). Deze golven lopen veel langzamer (10 tot 200 km/h) en hebben ook een veel kleinere golflengte. Ze lijken op golven op zee. Het wateroppervlak beweegt in de golven omhoog en omlaag, dus loodrecht op de voortplantingsrichting en de zwaartekracht zorgt voor die verplaatsingen in plaats van drukverschillen zoals in de Lamb-golven. In de atmosfeer bevindt zwaardere lucht zich lager dan lichtere lucht en wordt in de zwaartegolven tijdelijk opgetild en door de zwaartekracht weer omlaag getrokken. De zwaartegolven zijn uitgedempt voordat ze de andere kant van de wereld bereiken, in tegenstelling tot de Lamb-golven.
Seismische metingen worden gebruikt om de locatie en tijd van de explosie te achterhalen
De vulkaanuitbarsting wekt naast de eerder genoemde golven ook trillingen op die door de aarde reizen. Deze seismische golven zijn wereldwijd op seismometers gemeten. Deze informatie is gebruikt om een nauwkeurige schatting te kunnen maken van de locatie en tijd van de vulkaanexplosie. Een deel van deze golven reist door het binnenste van de aarde, maar de meeste energie gaat langs het aardoppervlak, net als de Lamb-golven. De Rayleigh-golven reizen met een snelheid van ongeveer 3 kilometer per seconde langs het aardoppervlak en worden rond 7.00 uur op de seismometer in Utrecht gemeten (met dank aan dr. Hanneke Paulssen, figuur 5).
Dertien uur later - om 20.00 uur - komt de Lamb-golf in Nederland aan, die 10 keer trager reist. Lokaal meten we dan een verhoging van de luchtdruk, die niet alleen meetbaar is op onze luchtdruksensor. De luchtdrukverhoging in de Lamb-golf drukt op de losse sedimenten rondom het KNMI. Dit brengt de grond in trilling en we meten dit op de seismometer als een hele kleine, maar meetbare verplaatsing van de grond.
Dit kan inzichtelijk worden gemaakt door naar een spectrogram te kijken. Een spectrogram laat de energie per frequentieband zien als functie van tijd. De spectrogrammen laten zien dat de frequentie inhoud van de druk en seismometer sterk overeenkomt op het moment dat de Lamb-golf overkomt (figuur 4). De uren daarvoor wordt het signaal op de seismometer gedomineerd door een golf met een frequentie rond 3.3 mHz. Dat is de eerder genoemde Rayleigh-golf.
Na de Lamb-golf wordt tenslotte hoogfrequenter infrageluid gemeten
Nadat de Lamb-golf is overgetrokken wordt er tenslotte hoogfrequenter infrageluid gemeten, met een frequentie-inhoud tot 7.5 Hz. Dat is uniek voor een signaal dat zijn oorsprong heeft in een explosie van een vulkaan aan de andere kant van de wereld.
Naast golven in atmosfeer en vaste aarde werden door de uitbarsting ook golven opgewekt in de oceaan. Door de plotselinge verticale waterverplaatsing tijdens de uitbarsting ontstond er een verschil in waterniveau met de omringende oceaan. Dit verschil in waterniveau veroorzaakt drukverschillen in de oceaan met een tsunami tot gevolg. De tsunami-golf verspreidt zich met grote snelheid (zo'n 700 km/uur) in alle richtingen. Komt de tsunami in ondieper water dan neemt de uitwijking aan het wateroppervlak toe. Voor de tsunami uit wordt water als het ware de tsunami ingezogen. Aan de kust trekt het water zich dan ook eerst terug om vervolgens heel snel op te komen als de tsunami het strand bereikt en zich als een vloedgolf op het land stort. Afhankelijk van de afstand tot het brongebied is er tijd om kustbewoners te waarschuwen dat een tsunami in aantocht is.
Omdat de oorzaak niet een aardbeving of vulkaanuitbarsting is maar een luchtdrukvariatie wordt zo’n tsunami een meteo-tsunami genoemd
Een tsunami wordt dus veroorzaakt door een plotselinge grote waterverplaatsing. De oorzaak kan een beweging van de zeebodem zijn door een aardbeving of uitbarsting van een onderwatervulkaan. Maar ook een sterke daling of stijging in luchtdruk zorgt voor een verticale verplaatsing van het wateroppervlak. Het blijkt dat de luchtdrukvariaties in de Lamb-golf sterk genoeg waren om een tsunami op te wekken. Omdat de oorzaak niet een aardbeving of vulkaanuitbarsting is maar een luchtdrukvariatie wordt zo’n tsunami een meteo-tsunami genoemd. Na overkomst van de Lamb-golf werd een meteo-tsunami waargenomen in bijvoorbeeld het Caribisch gebied (figuur 5). De amplitude was slechts 10 centimeter en heeft niet voor overlast gezorgd.
