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震了没?霉震!

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地震,大家应该都耳熟能详,大家所印象深刻的就是天然地震所带来的的巨大破坏力,例如汶川地震等。地震能够引起地振动,地震的概念不只局限于天然地震,还有塌陷、爆破、大型人类活动等等导致的非天然地震。在这篇文章中,我们主要讨论的是大型人类活动导致的非天然地震。如果单从简单定义而言,此刻如果跺一脚,这也能称得上地震,不过震级非常非常小而已。现在我们大概能够理解了地震的广义含义,那么让我们接着看这样一个有趣的新闻。

今年的7月22日和23日,泰勒·斯威夫特(Taylor Swift, 粉丝爱称霉霉)在美国华盛顿州西雅图市的流明球场举办“时代巡回演唱会”(The Eras Tour),共有超过144,000名观众参加了这两场演出。由于现场气氛热烈,观众们随着音乐一同歌唱起舞。身处在演唱会现场的观众沉浸在了音乐当中,丝毫没有察觉他们的行为可能产生了强烈的地面振动。

不过这样的振动信号被附近的地震台站记录到了,首先是在美国太平洋西北地震台网(PNSN)的脸书(Facebook)讨论组上,小组成员托马斯·施兰茨(Thomas Schrantz)发现,位于流明球场(Lumen Field)西侧的一座地震监测站检测到了一些不同寻常的信号。后来,该讨论组的管理员之一、美国西华盛顿大学(Western Washington University)地质学系副教授——杰基·卡普兰-奥尔巴赫(Jacqueline Caplan-Auerbach)得知此事,立刻开始分析数据。这个监测站距离球场非常近,下图是Jackie推特上的地图,可以看到两者相距大约为150m左右。

Jackie推特上分享的监测站位置

笔者所分享的google地图

Jacqueline拿到数据后就开始进行地球物理学传统手段的分析。在进行观测时,我们首先会关注地振动信号的幅度随着时间变化的变化,这种数据被称为“时序数据”。因此,当出现奇怪的信号的时候就说明附近或者远方发生了地振动或者说地震。就比如下面的时序数据图,在UTC时间(PDT+7 hours)的03:20至06:20的时间内,出现了振幅较大,持续时间较长的信号。Jacqueline由此联想到了Lumen球场的霉霉演唱会,发现演出时间也很对得上,因此就认为是演唱会造成的地面振动信号。这个也非常容易理解,当我们去听演唱会或者音乐节的时候,我们也能在现场感受到强烈振动,可能来自于音响或者跺脚等等。

地震仪连续数据 @USGS Earthquake

结合两天的数据,能够发现,其波形非常相似。下图中的红线表示Lumen体育场开门的时间,绿线表示演唱会开始的理论时间。23号的信号比22号的信号要晚26分钟,结合演唱会的信息,是23号霉霉登台的时间推迟了半小时。因此地震仪的数据十分吻合演唱会的现场情况。当然了,身为科研人员,Jacqueline的分析不止于此。Jacqueline向曾在现场的观众们征集了实际演出信息和时间,依次对比更多的振动信号特征。她将其中的Shake it off 这首歌在两天中的地震仪信号都取出对比,发现其波形一致性非常高。可惜地震仪的采样比起人声偏低很多,因此如果将地震时序数据变为可播放的音频(采用倍速等操作),其音质会比较差,所以这可能是有史以来最垃圾的盗版音质(狗头.jpg)。

地震仪两天的连续数据 @PNSN

Shake it off 的地震仪记录波形 (Jackie et. al., 2023)

除了时序的数据分析,还有就是一招吃遍天下鲜的“时频分析”,分析数据的频率变化。她们认为,地震仪记录到的低频信号主要来自于人群的运动,包括跳舞、跳跃和摇摆。其中高频的信号,主要来自于现场的外扩设备等。下图我们能够看到外扩设备的测试、热场乐队及霉霉的主要演出等。因此Jacqueline认为,这次的地振动信号主要是来自于人群的运动。霉霉的两个晚上的演出主体歌单是一样,但是每晚的surprise songs(惊喜歌曲?)是不一样的,因此这两个晚上的波形并不完全相似。例如看到波形对比图中,(b)图的相关系数很小(cc=0.03),这表示惊喜歌曲是完全不一样的。在泰勒演唱会带来的这两场“霉震”(Swift Quake)中,地震仪最大记录到了约0.011米/平方秒的地面加速度,结合地震仪与现场的距离,约合里氏震级2.3级。所以如果有人问你到底震了没?你可以说:霉震!

时频图分析(Jackie et. al., 2023)

两个晚上的波形对比(Jackie et. al., 2023)

后记

作为科研人员的Jacqueline科研素养真的杠杠滴,立马把“霉震”相关的数据分析整理成了一篇论文,目前出了预印本在Research Square上面。不过Jackie没想到投了两个期刊都给拒了,AGU(美国地球物理学会)倒是觉得这个工作很有趣,不知道最后会不会发到AGU的期刊上。

预印本网址,感兴趣的可以看看:

https://www.researchsquare.com/article/rs-3401209/v1

发布于:安徽

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