Nietypowa funkcja kabli. Pomogą wykrywać trzęsienia ziemi i tsunami

Sejsmolodzy z Caltech współpracujący z ekspertami od optyki w Google opracowali metodę wykorzystywania istniejących podwodnych kabli telekomunikacyjnych do wykrywania trzęsień ziemi.

Nowa metoda wykrywania trzęsień ziemi, wykorzystująca istniejące już kable telekomunikacyjne może doprowadzić do udoskonalenia systemów ostrzegania przed trzęsieniami ziemi i tsunami na całym świecie.

Ogromna sieć ponad miliona kilometrów kabli światłowodowych znajduje się na dnie oceanów i była rozwijana od lat 80. XX wieku. Obecnie uważa się ją za kręgosłup międzynarodowej telekomunikacji. 

Ale naukowcy od lat próbowali również wykorzystać te kable do monitorowania sejsmiczności. W końcu Ziemia jest w ponad 70 proc. pokryta wodą, a instalacja monitorowanie i uruchamianie sejsmometrów podwodnych w celu śledzenia ruchów Ziemi pod morzami jest niezwykle trudne i kosztowne. 

Zdaniem naukowców idealnym rozwiązaniem byłoby monitorowanie sejsmiczności poprzez wykorzystanie infrastruktury już istniejącej wzdłuż dna oceanu. Próby wykorzystania światłowodów były podejmowane kilkakrotnie, ale jak dotąd bez oczekiwanych rezultatów. 

Najnowsze badania opublikowane w "Science" 26 lutego opisują jednak zupełnie nowe podejście do problemu. 

- Ta nowa technika może naprawdę przekształcić większość kabli podmorskich w czujniki geofizyczne o długości tysięcy kilometrów do wykrywania trzęsień ziemi i prawdopodobnie tsunami w przyszłości - powiedział Zhongwen Zhan, główny autor badania. 

- Uważamy, że jest to pierwsze rozwiązanie do monitorowania sejsmiczności na dnie oceanu, które mogłoby zostać wdrożone na całym świecie. Mogłoby to uzupełnić istniejącą sieć naziemnych sejsmometrów i boi monitorujących tsunami, aby znacznie ułatwić wykrywanie podmorskich trzęsień ziemi i tsunami w wielu przypadkach szybciej - dodał. 

Sieci kablowe działają za pomocą laserów, które wysyłają impulsy informacji przez włókna szklane, dzięki czemu mogą dostarczać dane z szybkością większą niż 200 000 kilometrów na sekundę. Aby optymalnie wykorzystać kable - to znaczy przesyłać przez nie jak najwięcej informacji - jedną z rzeczy monitorowanych przez operatorów jest polaryzacja światła przemieszczającego się we włóknach.

Podobnie jak inne światło, które przechodzi przez filtr polaryzacyjny, światło lasera jest spolaryzowane - co oznacza, że ​​jego pole elektryczne oscyluje tylko w jednym kierunku, a nie w jakimkolwiek. Sterowanie kierunkiem pola elektrycznego umożliwia jednoczesne przesyłanie wielu sygnałów przez to samo włókno.

Na lądzie różnego rodzaju zakłócenia, takie jak zmiany temperatury, a nawet uderzenia pioruna, mogą zmienić polaryzację światła przechodzącego przez kable światłowodowe. Zhan i jego koledzy stwierdzili, że ponieważ temperatura w głębokim oceanie pozostaje prawie stała i występuje tam tak mało zakłóceń, zmiana polaryzacji z jednego końca kabla na drugi pozostaje dość stabilna w czasie.

Trzęsienia ziemi i burze wytwarzają duże fale oceaniczne. Wtedy polaryzacja zmienia się nagle i dramatycznie, umożliwiając naukowcom łatwą identyfikację takich zdarzeń z zebranych danych. Korzystając z nowej techniki, cała długość kabla podmorskiego działa jak pojedynczy czujnik, a polaryzację można mierzyć nawet 20 razy na sekundę. 

Oznacza to, że od wystąpienia trzęsienia ziemi czy tsunami, do uzyskania informacji na ten temat, minie zaledwie kilka sekund. Podczas dziewięciu miesięcy testów opisanych w nowym badaniu naukowcy wykryli około 20 trzęsień ziemi wzdłuż Wschodniego Wybrzeża, w tym trzęsienie ziemi o sile 7,7, które miało miejsce u wybrzeży Jamajki w styczniu. 28 lutego 2020 r.

Na razie nie udało się im wykryć tsunami, ale są zdania, że dalsze badania doprowadzą ich również do tego. Zhan i jego koledzy z Caltech opracowują obecnie algorytm uczenia maszynowego, który byłby w stanie określić, czy wykryte zmiany w polaryzacji są spowodowane trzęsieniami ziemi lub falami oceanu, a nie przypadkowym zdarzeniem (np. gdy statek poruszy kablem).

Badacze oczekują, że cały proces wykrywania i powiadamiania może zostać zautomatyzowany, uzupełniając dane zebrane przez globalną sieć sejsmometrów lądowych i boi w systemie Deep-ocean Assessment and Reporting of Tsunamis (DART).