Immagina di posizionare una roccia su un pezzo di cartone sospeso. Se il cartone è forte e abbondante, come la copertina di un libro cartonato, la roccia può rimanere lì per molto tempo e la tavola si fletterà a malapena a causa del peso della roccia. Ma se il cartone è fragile, più simile a un cartellone pubblicitario, comincerà a cedere sotto il peso della roccia, deformante nella forma e nella struttura.

La scienziata della Terra Donna Shillington studia un concetto simile quando studia il peso della lava indurita, o magma, sulla superficie terrestre. Quando i vulcani eruttano, sputa fuoco, la lava si raffredda nel tempo e si compone, aggiungendo peso e stress che possono causare la piegatura e la rottura delle placche tettoniche più fragili della Terra, che possono creare terremoti, e in alcuni casi, tsunami.

Shillington vuole sapere esattamente quanto magma si è indurito sotto una catena di vulcani sulla placca del Pacifico, che si trova sotto l'Oceano Pacifico. Sta anche studiando quanto sia forte il piatto, e se si comporterà più come il cartone o il cartellone sotto il peso della roccia, o in questo caso, magma.

Allungando 40 milioni di miglia quadrate sulla superficie terrestre, la placca del Pacifico si libra su un punto caldo, dove il materiale molto caldo dalle profondità della Terra sale verso l'alto. Poiché la placca si è insinuata in questo punto caldo nelle ultime decine di milioni di anni, il calore fuoriuscito interagendo con la piastra ha causato eruzioni vulcaniche e ha creato la catena di montagne sottomarine Hawaiian-Emperor, una catena montuosa che si estende 3, 900 miglia dalla Fossa delle Aleutine nel Pacifico nordoccidentale alla montagna sottomarina di Lo'ihi a sole 22 miglia a sud-est dell'isola di Hawaii. La maggior parte della catena è sott'acqua - sono stati identificati almeno 80 vulcani sottomarini - e le isole Hawaii sono le uniche cime esposte nel sistema.

Come con qualsiasi sistema montuoso, gli scienziati vogliono sapere di cosa è composto, come si è formato, e come è cambiato nel tempo. Ma, perché i vulcani più giovani di questa catena sono in grado di eruttare e produrre terremoti o tsunami, gli scienziati vogliono anche sapere come il carico che la catena ha aggiunto alla placca del Pacifico può influenzare i disastri naturali. Ma ancora più importante, vogliono sapere quanto è forte la placca studiando come risponde al carico dei giganteschi vulcani.

Sfortunatamente, le isole hawaiane sopra il livello del mare facili da campionare sono solo una piccola parte della catena espansiva e solo una parte della storia. Per ottenere le risposte di cui hanno bisogno, Shillington e i suoi colleghi devono fare molto, molto più in profondità, sotto il fondo dell'oceano.

Durante l'anno accademico 2018-19, quando Shillington era un Lamont Research Professor presso il Lamont-Doherty Earth Observatory della Columbia University, ha condotto due crociere di ricerca alla catena di montagne sottomarine Hawaiian-Emperor:una alla giovane parte hawaiana della catena, e l'altro alla metà settentrionale più antica, dove i vulcani hanno fino a 80 milioni di anni. Voleva imparare il più possibile sui vulcani sottomarini - e sulla terra sotto di loro - per capire come la Placca del Pacifico reggesse sotto il peso del magma, e anche, dove si trova esattamente quel magma.

"Conoscere le proprietà di quella piastra è importante per capire come risponderà, " ha detto Shillington, che ora è professore associato presso la Northern Arizona University. "La forza di un piatto è la cosa fondamentale che controllerà come si comporta. Ad esempio, la forza della placca oceanica determinerà come si piega e viene spinta sotto i continenti nelle zone di subduzione, un luogo che crea terremoti".

In viaggio con Shillington nella spedizione c'erano altri due scienziati di Lamont-Doherty:Brian Boston, un ricercatore post-dottorato e Will Fortin, un ricercatore associato. Il team di ricercatori principali comprendeva anche uno scienziato dell'Università di Oxford, Tony Watt; tre scienziati dell'Università delle Hawaii:Robert Dunn, Garrett Ito, Paul Wessel; due scienziati dell'US Geological Survey:Uri ten Brink e Nathan Miller; e uno scienziato di GEOMAR, Ingo Grevemeyer. Attraverso un processo di candidatura competitivo, il team ha anche invitato studenti laureati da tutto il paese a partecipare alle crociere, e gli studenti hanno scritto sul blog dell'esperienza.

Due volte, nell'ottobre 2018 e nuovamente nell'aprile 2019, il team salpò sul R/V Marcus G. Langseth, una nave di proprietà della National Science Foundation e gestita dal Lamont-Doherty Earth Observatory. La nave è speciale perché ha a bordo una tecnologia che consente agli scienziati di creare mappe bi e tridimensionali della struttura terrestre miglia sotto il fondo del mare.

Ci sono voluti nove giorni di navigazione dalle isole Hawaii per raggiungere la loro posizione di campionamento sulla catena di Emperor Seamount nell'Oceano Pacifico, disse Fortin. Era, in termini più semplici, in mezzo al nulla. La vista tipica da dritta era semplicemente nebbia.

Però, la squadra non era lì per guardare o toccare, ma per ascoltare. Utilizzando la tecnologia di mappatura sismica a bordo della nave, avrebbero mappato la topografia subacquea inviando onde sonore nell'acqua e misurandone l'eco, una tecnica chiamata imaging sismico.

"La sismologia è essenzialmente stare in piedi in un canyon e gridare 'eco' e poi sentire 'eco' tornare da te, ma molto più complicato e molto più silenzioso, " disse Fortin. "Quando senti 'eco' tornare da te, se registri la forma d'onda e presti molta attenzione, puoi dire su quale tipo di roccia sta rimbalzando perché l'eco che ritorna cambia in base a ciò che sta colpendo. Che tu sia in un luogo con un canyon di arenaria o che ci sia un masso di granito, puoi ottenere queste informazioni da come suona l'eco:quanto è forte, e come è distorto."

Per misurare l'eco, la squadra ha lasciato cadere in mare sismometri grandi come barili, dove affondarono per oltre tre miglia per riposare sul fondo dell'oceano e raccogliere misurazioni di pressione e movimento del suolo. Hanno anche rimorchiato un cavo lungo nove miglia dotato di sensori di pressione dietro la nave.

Quindi, gridarono nel canyon. Utilizzando un arsenale di pistole a compressore d'aria di bordo, hanno sparato bolle d'aria nell'acqua. Hanno ascoltato, in tempo reale, e registrato.

Oltre agli echi percepiti nella colonna d'acqua dalle stelle filanti delle barche, "come abbiamo prodotto le onde sismiche, i sismometri sul fondo dell'oceano hanno registrato come le onde si propagano attraverso la crosta terrestre, " ha detto Boston.

Fortin sta inoltre studiando il ruolo che la catena montuosa svolge nella circolazione e nella miscelazione dell'acqua di mare. Comprendere la topografia della catena e la sua composizione materiale lo aiuterà a scoprire, così come uno sguardo da vicino a come gli echi si muovono attraverso la colonna d'acqua.

La registrazione e l'analisi degli echi nell'acqua, e in particolare nell'acqua fredda, può essere piuttosto noiosa, disse Fortin. Mentre lo scisto e l'arenaria riflettono circa il 20 percento del suono originale, solo lo 0,05% circa dell'energia del suono originale viene riflessa tra i diversi strati d'acqua.

"I riflessi all'interno della colonna d'acqua sono ovattati e più silenziosi, come un'eco ritornata da un cuscino piuttosto che da una parete di un canyon, " disse Fortin. " Vale a dire, a meno che tu non disponga di attrezzature specializzate come una nave sismica o orecchie di pipistrello, non sentiresti un'eco dal tuo cuscino. Questi echi sono così silenziosi e ci vuole un po' di finezza. Sto modificando alcuni dei miei metodi di calcolo per arrivarci."

Infine, il team vuole anche sapere quanto nuovo magma si sta indurendo sotto i vulcani.

"Un po' di magma arriva in superficie, dove erutta come scorre la lava, " disse Shillington. "Tuttavia, alcuni dei magmi non arrivano in superficie, invece, si raffreddano e si cristallizzano in rocce sotto la superficie terrestre".

Il team utilizza le onde sonore per determinare lo spessore, composizione e distribuzione spaziale dei magmi che si sono cristallizzati e trasformati in rocce in profondità e non sono mai arrivati ​​in superficie.

Un anno dopo, i dati sono ancora in fase di analisi per creare un quadro completo di ciò che sta sotto, e come potrebbe essere cambiato nel tempo.

"Siamo stati fortunati a poter raccogliere così tanti dati, e questo è solo l'inizio di tutto ciò che speriamo di scoprire in questi set di dati, " ha detto Shillington. A causa della posizione remota, "nessuno tornerà indietro e raccoglierà dati dove abbiamo lavorato per molti anni".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione dell'Earth Institute, Columbia University http://blogs.ei.columbia.edu.