Brug af dybhavs fiberoptiske kabler til at detektere jordskælv

Seismologer hos Caltech, der arbejder med optikeksperter hos Google, har udviklet en metode til at bruge eksisterende telekommunikationskabler under vand til at detektere jordskælv. Teknikken kan føre til forbedrede jordskælvs- og tsunamivarslingssystemer rundt om i verden.

Et stort netværk af mere end en million kilometer fiberoptisk kabel ligger på bunden af ​​jordens oceaner. I 1980'erne, telekommunikationsselskaber og regeringer begyndte at lægge disse kabler, som hver kan strække sig over tusindvis af kilometer. I dag, det globale netværk betragtes som rygraden i international telekommunikation.

Forskere har længe søgt efter en måde at bruge de nedsænkede kabler til at overvåge seismicitet. Trods alt, mere end 70 procent af kloden er dækket af vand, og det er ekstremt vanskeligt og dyrt at installere, overvåge, og køre undersøiske seismometre for at holde styr på jordens bevægelser under havene. Hvad ville være ideelt, forskere siger, er at overvåge seismicitet ved at gøre brug af den infrastruktur, der allerede er på plads langs havbunden.

Tidligere bestræbelser på at bruge optiske fibre til at studere seismicitet har været afhængig af tilføjelsen af ​​sofistikerede videnskabelige instrumenter og/eller brugen af ​​såkaldte "mørke fibre", " fiberoptiske kabler, der ikke aktivt bruges.

Nu Zhongwen Zhan (Ph.D. '13), assisterende professor i geofysik ved Caltech, og hans kolleger har fundet på en måde at analysere lyset, der rejser gennem "oplyste" fibre - med andre ord, eksisterende og fungerende undersøiske kabler - til at detektere jordskælv og havbølger uden behov for yderligere udstyr. De beskriver den nye metode i tidsskriftets 26. februar-udgave Videnskab .

"Denne nye teknik kan virkelig konvertere størstedelen af ​​søkablerne til geofysiske sensorer, der er tusindvis af kilometer lange til at opdage jordskælv og muligvis tsunamier i fremtiden, ", siger Zhan. "Vi mener, at dette er den første løsning til overvågning af seismicitet på havbunden, som overhovedet kan implementeres over hele verden. Det kunne supplere det eksisterende netværk af jordbaserede seismometre og tsunamiovervågningsbøjer for at gøre detektionen af ​​undersøiske jordskælv og tsunamier meget hurtigere i mange tilfælde."

Kabelnetværkene fungerer ved brug af lasere, der sender impulser af information gennem glasfibre bundtet i kablerne for at levere data med hastigheder hurtigere end 200, 000 kilometer i sekundet til modtagere i den anden ende. For at udnytte kablerne optimalt – dvs. at overføre så meget information som muligt på tværs af dem - en af ​​de ting, operatører overvåger, er polariseringen af ​​lyset, der bevæger sig i fibrene. Ligesom andet lys, der passerer gennem et polariserende filter, laserlys er polariseret - hvilket betyder, dets elektriske felt svinger i kun én retning i stedet for en hvilken som helst måde. Styring af retningen af ​​det elektriske felt kan tillade flere signaler at rejse gennem den samme fiber samtidigt. I den modtagende ende, enheder kontrollerer polarisationstilstanden for hvert signal for at se, hvordan det har ændret sig langs kablets vej for at sikre, at signalerne ikke bliver blandet.

I deres arbejde, forskerne fokuserede på Curie-kablet, et undersøisk fiberoptisk kabel, der strækker sig mere end 10, 000 kilometer langs den østlige udkant af Stillehavet fra Los Angeles til Valparaiso, Chile. (Selvom Zhan siger, at teknikken kunne bruges på mange af de hundredvis af undersøiske kabler, der krydser kloden.)

På land, alle mulige forstyrrelser, såsom ændringer i temperatur og endda lynnedslag, kan ændre polariseringen af ​​lys, der rejser gennem fiberoptiske kabler. Fordi temperaturen i det dybe hav forbliver næsten konstant, og fordi der er så få forstyrrelser der, ændringen i polarisering fra den ene ende af Curie-kablet til den anden forbliver ret stabil over tid, Zhan og hans kolleger fandt.

Imidlertid, under jordskælv og når storme producerer store havbølger, polariseringen ændrer sig pludseligt og dramatisk, giver forskerne mulighed for nemt at identificere sådanne hændelser i dataene.

I øjeblikket, når jordskælv opstår miles offshore, det kan tage minutter for de seismiske bølger at nå landbaserede seismometre og endnu længere tid for eventuelle tsunamibølger at blive verificeret. Ved at bruge den nye teknik, hele længden af ​​et søkabel fungerer som en enkelt sensor på et svært overvåget sted. Polarisering kan måles så ofte som 20 gange i sekundet. Det betyder, at hvis et jordskælv rammer tæt på et bestemt område, en advarsel kan blive leveret til de potentielt berørte områder inden for få sekunder.

I løbet af de ni måneders test rapporteret i den nye undersøgelse (mellem december 2019 og september 2020), forskerne opdagede omkring 20 moderate til store jordskælv langs Curie-kablet, inklusive jordskælvet med en styrke på 7,7, der fandt sted ud for Jamaica den 28. januar, 2020.

Selvom der ikke blev opdaget tsunamier under undersøgelsen, forskerne var i stand til at detektere ændringer i polarisering produceret af havdønninger, der stammer fra det sydlige ocean. De mener, at ændringerne i polariseringen observeret under disse begivenheder var forårsaget af trykændringer langs havbunden, da kraftige bølger rejste forbi kablet. "Det betyder, at vi kan detektere havbølger, så det er sandsynligt, at vi en dag vil være i stand til at opdage tsunamibølger, " siger Zhan.

Zhan og hans kolleger hos Caltech er nu ved at udvikle en maskinlæringsalgoritme, der ville være i stand til at bestemme, om detekterede ændringer i polarisering er produceret af jordskælv eller havbølger i stedet for en anden ændring af systemet, såsom et skib eller en krabbe, der flytter kablet. They expect that the entire detection and notification process could be automated to provide critical information in addition to the data already collected by the global network of land-based seismometers and the buoys in the Deep-ocean Assessment and Reporting of Tsunamis (DART) system, operated by the National Oceanic and Atmospheric Administration's National Data Buoy Center.

Den nye Videnskab paper is titled "Optical polarization-based seismic and water wave sensing on transoceanic cables."