Trzy zgrabne wieże dysków twardych stoją na biurku Shan Dou. Wypełnione w ciągu zaledwie kilku miesięcy zawierają około 500 terabajtów danych sejsmicznych. To zadziwiająco ogromna ilość danych do gromadzenia i przetwarzania - nieco więcej niż ilość obecnie przechowywana w krajowym repozytorium danych sejsmicznych, które ma archiwum z 1970 roku.
Skąd się biorą te wszystkie informacje? Odpowiedź leży pod twoimi stopami: światłowód.
Dou jest doktorem habilitowanym w Lawrence Berkeley National Laboratory, pracującym nad umieszczeniem tysięcy mil kabli światłowodowych, które przemierzają świat, w celu wykorzystania ich w świadomości zagrożenia geologicznego - monitorując osuwiska, spadki wiecznej zmarzliny, dziury w jamie ustnej, a nawet zmiany wtryskiwanego dwutlenku węgla. Ale w nowym badaniu, opartym na fundamentalnych pracach Dou i opublikowanym w zeszłym miesiącu w czasopiśmie Geophysical Research Letters, badacze skupili się na potencjale i wszechstronności włókien w celu wykrycia jednego szczególnego zagrożenia: trzęsień ziemi.
Aby wykryć drobne wstrząsy w ziemi, naukowcy zwykle używają czułych instrumentów zwanych sejsmometrami. Ale każda z tych jednostek może być kosztowna w instalacji i trudna w utrzymaniu. I nie zawsze są one wykonalne w użyciu, wyjaśnia Nate Lindsey, doktorantka na University of California, Berkeley's Seismological Lab i główny autor nowych badań. „Są obszary, w których ważne może być umieszczenie sejsmometru - myślę na morzu, myślę o obszarach miejskich - gdzie jest to… trudne z logistycznego punktu widzenia iz punktu widzenia bezpieczeństwa” - mówi.
Nate Lindsey przycina kabel na stacji Richmond Field (dzięki uprzejmości Jonathan Ajo-Franklin) Tam właśnie wkraczają światłowody - i góry danych. Tysiące światłowodów przemierzają nasz kraj, rozciągając się nawet na oceany. Jeśli więc naukowcy mogą wykorzystać ten system do monitorowania trzęsień ziemi, oferuje on niespotykaną ilość informacji, mówi Dou, która pracowała z Lindsey w UC Berkeley, kończąc doktorat.
Pomysł jest dość prosty. Wiele firm światłowodowych instaluje więcej kabli światłowodowych, niż potrzebują, w wyniku czego powstaje system tak zwanych „ciemnych włókien” - światłowodów w podziemnych kanałach - które można by wykorzystać do alternatywnych celów, takich jak wykrywanie trzęsień ziemi. Ale każda z tych linii światłowodowych jest niedoskonała. Kiedy przesyłasz światło w dół poszczególnych pasm światłowodowych, te niedoskonałości w strukturze odbijają ułamek światła. Badacze mogą umieścić tak zwany interferometr laserowy na jednym końcu linii, aby wysyłać i mierzyć zmiany w tych powracających migotaniach, dostrzegając drobne kompresje lub przedłużenia kabli spowodowane drganiami podłoża.
„Każdy metr światłowodu w naszej sieci działa jak czujnik i kosztuje mniej niż dolara do zainstalowania”, mówi Biondo Biondi, geofizyk ze Stanford i autor nowego artykułu, w komunikacie prasowym. „Nigdy nie będziesz w stanie stworzyć sieci przy użyciu konwencjonalnych sejsmometrów o takim zasięgu, gęstości i cenie”.
„Na tym polega piękno” - wyjaśnia Dou. „Nie musimy robić nic specjalnego, wystarczy kupić coś, co jest już powszechnie dostępne dla telekomunikacji”.
Jednak dokładne określenie, jak wykorzystać te włókna do wykrywania trzęsień ziemi, wymaga nieco więcej pracy. Jedną wielką niewiadomą jest wrażliwość. To zastosowanie światłowodów do pomiaru drgań w ziemi pojawiło się w przemyśle naftowym i gazowym, który wykorzystywał linie do monitorowania rurociągów i studni - poprzez takie rzeczy, jak słuchanie dudnienia zbliżających się pojazdów. Ale do tych celów światłowody są zwykle „sprzężone” lub cementowane w ziemi, co skutkuje bardziej wydajnym przenoszeniem mruków i wstrząsów Ziemi do włókien.
„Ludzie nie wierzyli, że to zadziała” - mówi Eileen Martin, absolwentka laboratorium Biondiego i inny autor na papierze. „Zawsze zakładali, że niesprzężone włókno światłowodowe generuje zbyt dużo szumów sygnałowych, aby były użyteczne.” Jednak wstępne testy przeprowadzone jako współpraca między Stanford, UC Berkeley i Berkeley National Lab są obiecujące.
Naukowcy z UC Berkeley pracują nad wykorzystaniem światłowodów do monitorowania podpowierzchni od pięciu lat, rejestrując odgłosy otoczenia, takie jak przejeżdżające samochody z włóknami, w celu zbadania zmian ważnych cech, takich jak lustro wody. (We wrześniu zespół opublikował tę pracę we współpracy z naukowcami z US Army Cold Regions Research & Engineering Laboratory na Alasce i Stanford University w czasopiśmie Scientific Reports . ) W celu przeprowadzenia nowego badania potencjału światłowodu do monitorowania trzęsień ziemi naukowcy porównali obserwacje trzęsień ziemi przy użyciu trzech różnych układów światłowodów, w tym zakopanych linii światłowodowych w pobliżu Fairbanks na Alasce, zakopanych linii w kształcie litery L w Richmond w Kalifornii oraz pętli cyfry 8 zainstalowanej w istniejącym kanale telekomunikacyjnym działającym pod kampusem Stanforda.
Jonathan Ajo-Franklin (z lewej) instaluje eksperymentalną macierz testową na stacji Richmond Field. (Dzięki uprzejmości Jonathan Ajo-Franklin) Zespół zarejestrował szereg zdarzeń we wszystkich trzech systemach. W samej pętli Stanforda naukowcy skatalogowali ponad 800 szablonów od czasu rozpoczęcia gromadzenia danych we wrześniu 2016 r., Zbierając sygnały w danych po minięciu wydarzeń. „Widzimy ich z Meksyku, z Włoch, z Oklahomy ... a także z maleńkich maluchów w kampusie Stanford” - mówi Biondi.
Mapa pokazuje lokalizację 3-kilometrowej pętli światłowodów o średnicy 8, zainstalowanej pod kampusem Stanford jako część światłowodowego obserwatorium sejsmicznego. (Stamen Design i Victoria and Albert Museum) Ogólnie wyniki są zachęcające. Jak mówi Biondi, „potencjalnie wszystkie elementy są na miejscu”, ale potrzeba więcej pracy, aby uruchomić system.
Obecnie Lindsey i jego zespół testują możliwości światłowodów w ciemnych światłowodach o długości 13 mil w Sacramento w Kalifornii, należącym do firmy Level 3 Communications, która została niedawno zakupiona przez CenturyLink. Porównują swój zmierzony sygnał do tradycyjnych sejsmometrów.
„Porównanie jest dobre” - mówi Lindsey. „Trzeba przeprowadzić jeszcze wiele badań, aby zrozumieć i wyjaśnić zalety i wady wykrywania światłowodu. Ale w czujniku światłowodowym jest sygnał, który jest powyżej poziomu hałasu i jest to przydatne”. Przygotowują manuskrypt dotyczący tego projektu, aby zgłosić go do publikacji w recenzowanym czasopiśmie w przyszłym miesiącu.
Czułość jest nadal przedmiotem zainteresowania w przypadku powszechnego zastosowania światłowodowego wykrywania trzęsień ziemi. „Na chwilę obecną światłowody mają niższą czułość niż konwencjonalny sejsmometr” - mówi Dou. Zauważa, że inni koledzy badają obecnie sposoby poprawy zdolności wykrywania światłowodu. Istnieje również wiele niewiadomych na temat warunków instalacji istniejących sieci telekomunikacyjnych. Małe poprawki, takie jak liczba kabli światłowodowych w kanale, mogą wpływać na wykrywanie, a tym samym na zdolność światłowodu do przekazywania dokładnych informacji o trzęsieniach ziemi.
Równie ważna jest potrzeba opracowania metod przetwarzania i analizowania tak dużych ilości danych w czasie rzeczywistym. „To świetna baza danych do pracy” - mówi Lindsey. „Ale nie mogę się doczekać dnia, kiedy studenci nie zajmą się walizkami dysków twardych, aby rozwiązać ten problem”.
Dla Claya Kirkendalla, naukowca z Marynarki Wojennej, który pracował z czujnikami światłowodowymi przez ostatnie 20 lat, koszty pozostają problemem w nowym systemie. „Z pewnością włókna już istnieją, co stanowi dużą część kosztów” - mówi Kirkendall, który nie był częścią badania. Ale wciąż potrzebujesz urządzenia do odbijania światła wzdłuż linii i mierzenia powracających sygnałów - a przeglądanie tego aspektu systemu może poświęcić wrażliwość, mówi. Nie jest jasne, ile w tej chwili będą kosztować wysokiej jakości detektory laserowe, ale Biondi ma nadzieję, że wraz z postępem technologii koszty tych systemów spadną.
Jeśli naukowcy potrafią poradzić sobie z tymi załamaniami, światłowody mogą zaoferować rozwiązanie wielu wyzwań związanych z monitorowaniem trzęsień ziemi. Ta technologia może być szczególnie przydatna w ulepszaniu systemów ostrzegających społeczności o trzęsieniach ziemi w pobliżu, aby dać im tylko ułamek dodatkowego czasu na przygotowanie się do wstrząsu. Pozytywne skutki i niepowodzenia takich sieci zostały podkreślone na początku tego roku w serii trzęsień ziemi w Meksyku.
Światłowodowe obserwatorium sejsmiczne z powodzeniem wykryło trzęsienie ziemi o sile 8, 2 stopnia, które nawiedziło środkowy Meksyk 8 września 2017 r. (Siyuan Yuan) Meksykański system alarmowania sejsmicznego (SASMEX) to pierwszy system wczesnego ostrzegania, który powiadamia społeczeństwo o zbliżających się trzęsieniach ziemi. Sieć sejsmometrów, przyrządu tradycyjnie używanego do monitorowania trzęsień ziemi, części plamistych kraju, monitorowania wstrząsów. Gdy tylko ta sieć zarejestruje coś wystarczająco dużego dla potencjalnego problemu, ostrzeżenie gaśnie, co może zapewnić od sekund do pełnej minuty powiadomienia o nadchodzącym wstrząsie.
Lindsey podkreśla, że pomysł nie polega na zamianie istniejących systemów - „w najlepszym wydaniu [światłowód] może nie być tak dobry jak najlepszy sejsmometr”, zauważa, a raczej na ich ulepszeniu. „Widzimy, że sejsmologia światłowodowa jest doskonałym sposobem na uzupełnienie technik wczesnego ostrzegania przed trzęsieniem ziemi, które są obecnie budowane na całej planecie”, mówi.
Choć nadal jest wiele do zrobienia, aby tak się stało, zespoły badaczy i wiele uniwersytetów zajmują się tym. „Jest to naprawdę zbiorowo większe przedsięwzięcie” - mówi Dou, zauważając, że zespół CalTech pracuje nad podobnymi projektami z ciemnych włókien.
„To szybko rozwijająca się dziedzina i mamy szczęście, że jesteśmy na pionierskiej pozycji” - mówi.
