¿Pueden los sensores sísmicos ayudar a pronosticar cómo y cuándo se intensifican los huracanes?

Un nuevo estudio publicado en la revista Science demuestra cómo los micrófonos y sismómetros especializados que detectan los movimientos de la Tierra pueden revelar el funcionamiento interno de los huracanes. El descubrimiento se produjo después de que el huracán Isaac azotara la costa de Luisiana en 2012, pasando por zonas donde geofísicos habían instalado sensores para otro proyecto.

«Hemos encontrado una forma nueva y eficaz de recopilar información valiosa sobre huracanes a partir de sensores sísmicos y acústicos», declaró Qing Ji, autora principal del estudio, quien realizó la investigación como estudiante de doctorado en el laboratorio de Eric Dunham en la Universidad de Stanford. «Los datos geofísicos pueden proporcionar una comprensión más completa de las grandes tormentas tropicales».

Según el estudio, dado que los sismómetros detectan los movimientos del suelo, pueden determinar con precisión cuándo un huracán toca tierra. Al "escuchar" ondas sonoras de baja frecuencia inaudibles para el oído humano, los micrófonos de infrasonido también pueden monitorear la presión atmosférica, otro indicador útil de las condiciones del huracán a lo largo del tiempo.

Los hallazgos se extienden más allá de los huracanes a otros tipos de tormentas y a la ciencia atmosférica en general, ofreciendo una forma innovadora de estudiar los fenómenos meteorológicos que producen vientos fuertes.

"Uno no pensaría necesariamente que existe una conexión instrumental entre los campos de la geofísica y la ciencia atmosférica, pero gracias a este estudio, hemos demostrado que uno puede aportar información al otro", dijo Dunham, autor principal del estudio y profesor de geofísica en la Escuela de Sostenibilidad Doerr de Stanford.

Cómo funcionan los huracanes

Los huracanes, las tormentas tropicales más grandes de la Tierra, suelen tener un diámetro de entre 480 y 640 kilómetros, recorren miles de kilómetros y obtienen su energía de las cálidas aguas oceánicas. Un huracán gira alrededor de un ojo tranquilo y de baja presión, rodeado por una banda de viento y lluvia intensos conocida como pared del ojo. Las bandas de lluvia que contienen tormentas eléctricas se extienden en espiral desde la pared del ojo como los radios de una rueda. Al tocar tierra, las tormentas azotan el suelo con vientos turbulentos, lluvia y marejadas ciclónicas.

"Los huracanes crean fluctuaciones de presión en toda la Tierra que empujan el suelo hacia abajo, lo elevan y generan señales sísmicas", dijo Dunham.

En la parte del huracán más cercana al suelo, el viento, el calor y la humedad se mezclan en lo que se conoce como capa límite. Medir la turbulencia en la capa límite es fundamental para pronosticar la intensidad y el comportamiento de la tormenta, ya que es un factor clave para determinar si un huracán se fortalece o se debilita.

Para obtener datos de la capa límite, las agencias gubernamentales envían aeronaves a través de tormentas para lanzar sensores en paracaídas y evaluar las lecturas de boyas oceánicas, torres de medición de viento y radares. Sin embargo, estas herramientas tienen limitaciones. Las boyas y las torres de medición de viento solo capturan lecturas cercanas a la superficie, mientras que el radar solo ofrece instantáneas de la capa límite. Además, los vuelos pueden poner en peligro a los pilotos.

Un estudio sísmico fortuito

Al ser una región que rara vez experimenta terremotos, Luisiana tenía pocos sensores sísmicos instalados cuando el huracán Isaac azotó la zona en 2012. Pero la tormenta de categoría 1 pasó por casualidad sobre estaciones con sensores sísmicos y micrófonos de infrasonido que se habían instalado para un proyecto geofísico de cartografía del interior de la Tierra.

"Sin duda tuvimos algo de suerte de que las estaciones estuvieran cerca de la trayectoria del huracán", dijo Ji.

En un estudio previo sobre estas estaciones y el huracán Isaac , Ji y Dunham refutaron la suposición generalizada de que dicha instrumentación se vería saturada por las ondas sísmicas superpuestas producidas por la tormenta a lo largo de cientos de kilómetros. Descubrieron que, en lugar de una avalancha ruidosa de ondas sísmicas lejanas, los sismómetros eran sensibles a las condiciones específicas de la capa límite en su proximidad inmediata.

"Observamos que lo que mide el sismómetro está dominado por la turbulencia local a una escala de pocos kilómetros", dijo Dunham. "Eso nos llevó a centrarnos en los procesos de turbulencia de la capa límite".

Agregar una segunda señal

Partiendo de ese resultado inicial, Ji y Dunham colaboraron con Ipshita Dey (doctorada en Ciencias del Sistema Terrestre en 2024), quien investigó las capas límite en el laboratorio de Morgan O'Neill, ex profesora asistente de ciencias del sistema terrestre en Stanford.

"Qing quería comprobar si las señales que observaba en las mediciones sísmicas podían provenir de las características a pequeña escala que yo estaba explorando en los vientos de la capa límite dentro de los huracanes", dijo Dey. "Esa colaboración llevó nuestro estudio al siguiente nivel".

Los investigadores añadieron registros de ondas sonoras de baja frecuencia, inaudibles para el oído humano, conocidas como infrasonidos. Estos datos proporcionaron una medición continua de las fluctuaciones de presión turbulentas en la capa límite. El conjunto de datos combinado mostró claramente el ojo tranquilo del huracán Isaac al pasar sobre ciertas estaciones, precedido y seguido por la intensa pared del ojo.

Posteriormente, los investigadores compararon este conjunto de datos con los datos de la capa límite obtenidos convencionalmente para la tormenta y encontraron una gran concordancia.

"Nuestro estudio demuestra la validez de este enfoque y la oportunidad que ofrece para utilizar este tipo de datos de una manera diferente", dijo Ji.

Los investigadores de Stanford planean ampliar su investigación a otros huracanes. El huracán Isaac tocó tierra como tormenta de categoría 1. En aproximadamente 100 segundos, el huracán movió el suelo una fracción de milímetro, comparable a un pequeño terremoto demasiado débil para ser percibido. Tormentas tropicales más fuertes, como los huracanes Andrew en 1992 y Michael en 2018, ambos de categoría 5, deberían generar una señal más intensa y, potencialmente, datos más fiables.

"Podemos añadir sensores para que estas estaciones sean multifuncionales, satisfaciendo las necesidades de monitorización sísmica y proporcionando también datos útiles para estudios atmosféricos", dijo Ji.

De este modo, se podría ayudar a los investigadores de todo el mundo a comprender mejor los huracanes y otras tormentas poderosas, lo que podría influir en las decisiones sobre infraestructuras, evacuaciones, mensajes públicos, preparativos ante tormentas y otros esfuerzos para proteger a las comunidades.

Fuente: Universidad de Stanford