Historische stormen herleven in oude seismische metingen

De recente stormen Dudley, Eunice en Franklin zijn ook waargenomen op seismometers. Stormen wekken namelijk trillingen op in de vaste aarde die op grote afstand kunnen worden waargenomen. Seismische metingen zeggen dus iets over stormen. Omdat we in het bezit zijn van seismische metingen over de laatste 120 jaar kunnen we die gebruiken om stormen uit het verleden te bestuderen. Zo hebben Belgische collega’s op basis van seismische gegevens van toen de storm van de watersnoodramp uit 1953 bestudeerd en dat bleek verrassend goed uit te pakken.

Golven op zee laten de aarde trillen

Ook zonder aardbevingen meten seismometers wereldwijd voortdurend allerlei trillingen in de aarde. Dit noemen we achtergrondruis. Een belangrijk deel hiervan is afkomstig van oceaangolven. Deze trillingen worden ook wel 'microseismen' genoemd. Microseismen kunnen op verschillende manieren ontstaan. In het geval van stormen op zee ontstaan microseismen daar waar oceaangolven tegen elkaar instromen. De staande golven (figuur 1) die hierdoor ontstaan veroorzaken trillingen in de aarde (seismisch) en in de lucht (akoestisch) die op duizenden kilometers afstand van de storm kunnen worden gemeten op seismometers en microbarometers.

Achtergrondruis bevat waardevolle informatie 

Deze signalen noemen we weliswaar ruis, maar begrip ervan is heel nuttig. Ruis maskeert signalen van bijvoorbeeld een aardbeving of explosie en als je de eigenschappen van de ruis goed kent, kun je deze beter uit je metingen filteren. De ruis zelf bevat ook nuttige informatie. Oceaanruis kan worden gebruikt om de aarde, atmosfeer of oceaan in kaart te brengen op plekken waar weinig (of geen) andere metingen beschikbaar zijn zoals bijvoorbeeld de temperatuur in de (diepe) oceaan. Ook over stormen op zee is informatie te halen uit de seismische achtergrondruis.  

Seismische trillingen van Dudley, Eunice en Franklin 

De recente stormen Dudley, Eunice en Franklin zijn gemeten op seismometers in Nederland en buurlanden. Op het Duitse eiland Helgoland zijn de seismische trillingen van de stormen zeer goed zichtbaar, ook al is het gemeten signaal uiterst klein (figuur 2). De gemeten verplaatsing van de grond is slechts een tiende van de dikte van een haar.

Meer informatie over de aard van de trillingen krijgen we door naar een spectrogram te kijken. Een spectrogram laat zien welke met welke frequentie de grond trilt als functie van de tijd. Tijdens de passage van stormen is een karakteristieke variatie van hoge naar laagfrequente trillingen te zien, van ongeveer 0.6 naar 0.2 Hz (1 Hz - spreek uit ‘herts’ - is één trilling per seconde, 0.2 Hz is één trilling per vijf secondes). De horizontale band rond 0.15 Hz is karakteristiek voor achtergrondruis vanuit de Atlantische Oceaan. Verder naar het binnenland, zoals in De Bilt, zijn deze signalen ook zichtbaar, maar is de transitie van hoge naar frequenties minder duidelijk zichtbaar. 

Oceaanmodellen testen met historische seismische gegevens  

Tegenwoordig worden de seismische trillingen via de computer vastgelegd voor verdere analyse. Vroeger werden seismische trillingen op analoge meters (‘seismografen’) geregistreerd. Met een inktpen werden de trillingen via een arm overgebracht op een rol. Door deze rollen te digitaliseren kunnen oude metingen opnieuw worden geanalyseerd met de laatste analysetechnieken.

In een studie uit 2020 reconstrueerden collega’s van de Koninklijke Sterrewacht België (ROB) op deze manier metingen van microseismen van de storm uit 1953 die tot de watersnoodramp leidde. Met een oceaan-klimaatmodel maakten ze een berekening van de golven die door deze storm op zee werden opgewekt en de microseismen die daarmee gepaard gingen. Deze berekende microseismen vergeleken ze met de gemeten microseismen (figuur 3). Deze blijken verrassend goed met elkaar overeen te komen. De berekeningen kloppen goed met de waarnemingen, al zijn er ook verschillen. Een analyse van deze verschillen biedt inzicht hoe het oceaan-klimaatmodel verder verbeterd kan worden. Zo blijken de lange meetreeksen van seismische signalen een zee aan nuttige informatie te bezitten.

KNMI-klimaatbericht door Jelle Assink