Trei turnuri îngrijite de hard disk-uri stau pe biroul lui Shan Dou. Completate în doar câteva luni, acestea conțin aproximativ 500 de terabyți de date seismice. Este o cantitate uriașă de date care trebuie colectate și prelucrate - puțin mai mult decât suma deținută în prezent în depozitul național de date seismice, care are o arhivă din 1970.
De unde apar toate aceste informații? Răspunsul se află sub picioarele tale: fibra optică.
Dou este un cercetător postdoctoral la Laboratorul Național Lawrence Berkeley care lucrează pentru a pune mii de kilometri de cabluri cu fibră optică care traversează globul, pentru a le folosi în conștientizarea geohazardului - monitorizarea alunecărilor de teren, alunecărilor de permafrost, găurilor de scurgere și chiar a modificărilor dioxidului de carbon injectat. Dar într-un nou studiu, bazat pe lucrările fundamentale ale lui Dou și publicat luna trecută în revista Geophysical Research Letters, cercetătorii au adăpostit potențialul și versatilitatea fibrelor pentru a detecta un anumit pericol: cutremurele.
Pentru a detecta tremururile minuscule din pământ, cercetătorii folosesc în mod obișnuit instrumente sensibile numite seismometre. Dar fiecare dintre aceste unități poate fi costisitoare de instalat și dificil de întreținut. Și nu sunt întotdeauna fezabile de utilizat, explică Nate Lindsey, doctorand la Universitatea din California, Laboratorul Seismologic Berkeley și autor principal pentru noul studiu. "Există zone în care ar putea fi important să punem un seismometru - Mă gândesc în larg, mă gândesc la zone urbane - unde este ... dificil din punct de vedere logistic și din punct de vedere al securității", spune el.
Nate Lindsey cabluri de la Richmond Field Station (amabilitate Jonathan Ajo-Franklin) De aici intră fibra optică - și munții de date. Mii de linii de fibră optică traversează țara noastră, extinzându-se chiar și în oceane. Deci, dacă cercetătorii pot valorifica acest sistem pentru monitorizarea cutremurului, oferă o cantitate fără precedent de informații, spune Dou, care a lucrat cu Lindsey la UC Berkeley în timp ce își termina doctoratul.
Ideea este destul de simplă. Multe companii cu fibră optică instalează mai multe cabluri cu fibră optică decât au nevoie, ceea ce duce la un sistem de așa-numite „fibre întunecate” - fibre înglobate în conducte subterane - care ar putea fi folosite în scopuri alternative, precum detectarea cutremurului. Dar fiecare dintre aceste linii de fibră optică este imperfectă. Când trageți o lumină în jos pe firele individuale de fibră optică, aceste imperfecțiuni din structură resping o parte din lumină. Cercetătorii pot aplica ceea ce este cunoscut sub numele de interferometru laser la un capăt al liniei pentru a trimite și măsura modificări ale acestor sclipici întoarsă, percepând comprimări minute sau extensii ale cablurilor din cauza vibrațiilor solului.
„Fiecare contor de fibre optice din rețeaua noastră acționează ca un senzor și costă mai puțin de un dolar pentru instalare”, spune Biondo Biondi, geofizic la Stanford și autor al noii lucrări, într-un comunicat de presă. „Nu veți putea niciodată să creați o rețea folosind seismometre convenționale, cu acest tip de acoperire, densitate și preț.”
„Aceasta este frumusețea”, explică Dou, „Nu trebuie să facem nimic special, ci să cumpărăm ceva care este deja disponibil pe scară largă pentru telecomunicații”.
Dar să ne gândim exact la modul de utilizare a acestor fibre pentru detectarea cutremurului, este nevoie de ceva mai multă muncă. O mare necunoscută este sensibilitatea. Această utilizare a fibrelor optice pentru măsurarea vibrațiilor în sol a apărut din industria petrolului și a gazului, care a folosit liniile pentru a monitoriza conductele și puțurile - făcând lucruri precum ascultarea zvonului de apropiere a vehiculelor. Însă în aceste scopuri, fibra optică este de obicei „cuplată” sau cimentată în pământ, ceea ce duce la un transfer mai eficient al ghearelor și al agitării Pământului la fibre.
„Oamenii nu credeau că acest lucru va funcționa”, spune Eileen Martin, o studentă absolvită în laboratorul lui Biondi și un alt autor pe hârtie. „Au presupus întotdeauna că o fibră optică neacoperită ar genera prea mult zgomot de semnal pentru a fi utile.” Dar testele inițiale realizate ca o colaborare între Stanford, UC Berkeley și Berkeley National Lab sunt promițătoare.
Cercetătorii UC Berkeley lucrează la utilizarea fibrelor optice pentru a monitoriza suprafața de subteran timp de cinci ani, înregistrând zgomote ambientale precum trecerea mașinilor cu fibre pentru a studia modificările caracteristicilor importante, cum ar fi masa freatică. (În septembrie, echipa a publicat această lucrare în colaborare cu oamenii de știință din cadrul Laboratorului de cercetare și inginerie din Regiunile reci ale armatei americane din Alaska și Universitatea Stanford în revista Scientific Reports . ) Pentru noul studiu al potențialului de fibră optică pentru monitorizarea cutremurului, oamenii de știință au comparat observații ale cutremurului folosind trei tablouri de fibre optice diferite, inclusiv linii de fibră optică îngropată în apropiere de Fairbanks, Alaska, linii îngropate în formă de L în Richmond, California și o buclă de cifră 8 instalată într-un canal de telecomunicații existent care se desfășoară sub campusul Stanford.
Jonathan Ajo-Franklin (stânga) instalând un tablou de testare cu fibră optică experimentală la stația Richmond Field. (Curtoazie Jonathan Ajo-Franklin) Echipa a înregistrat o serie de evenimente în toate cele trei sisteme. Doar în bucla Stanford, cercetătorii au catalogat peste 800 de temblors de la începerea colectării datelor în septembrie 2016, selectând semnalele din date după ce au trecut evenimentele. „Îi putem vedea din Mexic, din Italia, din Oklahoma ... precum și pe cei mici minusculi din campusul Stanford”, spune Biondi.
Harta arată locația unei bucle de 3 mile, cifra-8 de fibre optice instalate sub campusul Stanford ca parte a observatorului seismic cu fibră optică. (Stamen Design și Muzeul Victoria și Albert) În general, rezultatele sunt încurajatoare. După cum spune Biondi, „potențial toate piesele sunt acolo”, dar trebuie să se întâmple mai multă muncă pentru a pune sistemul în acțiune.
În prezent, Lindsey și echipa sa testează capacitățile fibrei optice pe 13 km de fibre închise din Sacramento, California, deținute de compania Level 3 Communications, care a fost achiziționată recent de CenturyLink. Își compară semnalul măsurat cu seismometrele tradiționale.
„Comparația este bună”, spune Lindsey. "Sunt multe mai multe cercetări de făcut pentru a înțelege și clarifica avantajele și dezavantajele detectării fibrelor optice. Dar în senzorul de fibră optică există un semnal care este peste nivelul de zgomot și este util." Aceștia pregătesc un manuscris cu privire la acest proiect pentru a fi trimis spre publicare într-un jurnal revizuit de la egal în luna viitoare.
Sensibilitatea este încă de îngrijorare pentru aplicarea pe scară largă a detectării de cutremure cu fibră optică. „Pentru moment, fibra are tendința de a avea o sensibilitate mai mică decât seismometrul convențional”, spune Dou. Alți colegi, notează ea, cercetează în prezent modalități de îmbunătățire a capacităților de detectare a fibrei optice. Există, de asemenea, o mulțime de necunoscute cu privire la condițiile de instalare a rețelelor de telecomunicații existente. Reduceri mici, cum ar fi numărul de cabluri cu fibră optică într-o conductă, ar putea influența detectarea și astfel capacitatea fibrei de a transmite informații precise despre cutremure.
La fel de importantă este și necesitatea dezvoltării unor metode de procesare și analiză a unor cantități atât de mari de date în timp real. „Este un loc de joacă minunat cu date cu care lucrați”, spune Lindsey. „Dar aștept cu nerăbdare ziua în care elevii nu au nevoie de valize de hard disk-uri pentru a rezolva acest tip de probleme.”
Pentru Clay Kirkendall, un cercetător al Marinei care a lucrat cu senzori de fibră optică în ultimii 20 de ani, costurile rămân o preocupare pentru noul sistem. „Cu siguranță, fibrele sunt deja acolo și asta reprezintă o mare parte din costuri”, spune Kirkendall, care nu a făcut parte din studiu. Dar mai aveți nevoie de un dispozitiv care să răspundă lumină în josul liniilor și să măsoare semnalele de întoarcere - iar skimpingul pe acest aspect al sistemului ar putea sacrifica sensibilitatea, spune el. Nu este clar cât costă interogatorii cu laser de înaltă calitate în acest moment, dar Biondi speră că, odată cu avansarea tehnologiei, costurile acestor sisteme vor scădea.
În cazul în care cercetătorii pot elabora acele kink-uri, fibra optică ar putea oferi o soluție la numeroasele provocări ale monitorizării cutremurului. Această tehnologie ar putea fi deosebit de utilă în îmbunătățirea sistemelor care avertizează comunitățile de cutremure din apropiere să le ofere doar o fracțiune de timp suplimentar pentru a se pregăti pentru agitație. Impacturile pozitive - și eșecurile - astfel de rețele au fost subliniate la începutul acestui an în seria de cutremure din Mexic.
Observatorul seismic cu fibră optică a detectat cu succes cutremurul cu magnitudinea de 8, 2 ani care a lovit centrul Mexicului pe 8 septembrie 2017 (Siyuan Yuan) Sistemul de alertă seismică mexican, sau SASMEX, este primul sistem de avertizare timpurie care anunță publicul despre cutremurele în așteptare. O rețea de seismometre, instrumentul utilizat în mod tradițional pentru monitorizarea cutremurelor, secțiunile de țesături ale țării, monitorizarea tremurului. De îndată ce această rețea înregistrează ceva suficient de mare pentru îngrijorarea potențială, avertismentul se stinge, care poate oferi oriunde de la câteva secunde până la un minut complet de notificare cu privire la zgomotul care intră.
Lindsey subliniază că ideea nu este de a înlocui sistemele existente - „cel mai bun [fibra optică] s-ar putea să nu fie la fel de bun ca cel mai bun seismometru”, remarcă el - ci mai degrabă să le îmbunătățească. „Considerăm că seismologia cu fibră optică este o modalitate excelentă de a completa tehnicile de avertizare timpurie a cutremurului, care sunt construite acum în jurul planetei”, spune el.
Deși există încă mult mai mult de lucru pentru a face acest lucru, echipele de cercetători și multe universități sunt în acest caz. "Acest lucru este într-adevăr un efort mai mare", spune Dou, remarcând faptul că o echipă de la CalTech lucrează la proiecte similare cu fibre întunecate.
„Este un domeniu în curs de dezvoltare rapidă și suntem doar norocoși să fim într-o poziție de pionierat”, spune ea.
