Permafrost metingen met seismische achtergrondruis

Door klimaatverandering warmt het noordpoolgebied veel sneller op dan de rest van de wereld. Deze opwarming gaat gepaard met het ontdooien van de permanent bevroren grond in dit gebied, de permafrost. Het is belangrijk om dit smelten van de permafrost nauwkeurig in kaart te brengen omdat in de permafrost grote hoeveelheden broeikasgassen liggen opgeslagen. Seismische metingen blijken hierbij heel nuttig. Door de ruis op de seismometers te analyseren kunnen veranderingen in de permafrost nauwlettend worden gevolgd.

Gevolgen van ontdooiende permafrost

De opwarming van de aarde gaat gepaard met het ontdooien van permafrost. Ongeveer 20 tot 25% van het land op het noordelijk halfrond bestaat uit permafrost en een groot deel daarvan is kwetsbaar voor opwarming. In de permafrost liggen diverse broeikasgassen opgeslagen, zoals CO2, methaan en lachgas. De totale hoeveelheid koolstof in de bevroren bodems komt overeen met ongeveer 5000 Gigaton CO2, oftewel honderd keer de huidige jaarlijkse wereldwijde uitstoot van broeikasgassen door de mens. Door het ontdooien van de permafrost komen deze gassen vrij en zorgen voor een versterking van de opwarming.

Een ander gevolg van het ontdooien is dat de grond verzakt met alle gevolgen van dien voor gebouwen en infrastructuur, zoals olie- en gasleidingen. Ook raken kwetsbare ecosystemen in deze koude gebieden verstoord. Door al deze gevolgen is het belangrijk te weten waar en hoe snel de permafrost smelt. Het gaat vaak om afgelegen gebieden, wat het doen van metingen bemoeilijkt. Seismische trillingen blijken hier uitkomst te bieden.

Trillingen bevatten informatie over de ondergrond 

Vanouds houdt seismologie zich bezig met de studie van aardbevingen en de voortplanting van trillingen (seismische golven) door het binnenste van de aarde. De voortplantingssnelheid van deze golven hangt af van de aard van de ondergrond. Door verschillen in aankomsttijden van seismische golven op verschillende sensoren in het wereldwijde netwerk te combineren is het mogelijk om informatie over de ondergrond te krijgen.

Dit kan met seismische golven die worden opgewekt door aardbevingen, maar het is ook mogelijk om dat met seismische achtergrondruis (bijvoorbeeld van oceaangolven, wegverkeer en wind) te doen. Die techniek heet interferometrie en werkt bijzonder goed aan het aardoppervlak waar vele ruisbronnen aanwezig zijn. Het is een ‘passieve techniek’, waarbij je informatie over de ondergrond kan verkrijgen door trillingen te meten die van nature opgewekt worden. Je hoeft er niet actief trillingen voor op te wekken. Het KNMI doet onderzoek naar het gebruik van seismische interferometrie voor meting van temperaturen in de diepzee, en het monitoren van vulkaanactiviteit op de BES-eilanden in Caribisch Nederland.

Seismologie als meettechniek voor permafrost

De interferometrietechniek biedt een eenvoudige manier om veranderingen in de ondergrond te volgen, zonder de bodemtemperatuur direct te meten. Een recente studie van Amerikaanse onderzoekers maakt gebruik van een netwerk van seismometers om de permafrost in de Amerikaanse staat Alaska te onderzoeken (figuur 1). De seizoensvariaties in de bovenste laag van de permafrost (figuur 2) blijken sterk overeen te komen met de gemeten seismische snelheden. De trillingen reizen sneller door een bevroren grond en langzamer tijdens periodes dat de bodem wordt opgewarmd door warmere temperaturen. Ook zijn de effecten van regenval duidelijk zichtbaar in de seismische metingen, wat suggereert dat het water de bodem insijpelt.

De resultaten van interferometrie kunnen via tomografische technieken in kaart gebracht worden en blijken dan goed overeen te komen met dieptemetingen van de dooi ter plekke (figuur 3). Tomografie is een techniek die veel toegepast wordt in de medische wereld om beelden te maken van het inwendige lichaam (zoals bij echografie, röntgenfoto's en MRI scans). 

Dit werk toont aan dat metingen van seismische ruis een waardevol nieuw hulpmiddel zijn voor het monitoren en in kaart brengen van de ontdooiende permafrost.

KNMI-klimaatbericht door Jelle Assink