Utilizarea cablurilor de telecomunicații subacvatice pentru detectarea cutremurelor

Seismologii de la Caltech care lucrează cu experți în optică la Google au dezvoltat o metodă de utilizare a cablurilor de telecomunicații subacvatice existente pentru a detecta cutremurele. Tehnica ar putea duce la îmbunătățirea sistemelor de avertizare a cutremurului și a tsunamiului la nivel mondial.

O vastă rețea de peste un milion de kilometri de cablu cu fibră optică se află la fundul oceanelor Pământului. În anii 1980, companiile de telecomunicații și guvernele au început să pună aceste cabluri, fiecare dintre ele putând extinde mii de mile. Astăzi, rețeaua globală este considerată coloana vertebrală a telecomunicațiilor internaționale.

Oamenii de știință au căutat de mult o modalitate de a folosi acele cabluri scufundate pentru a monitoriza seismismul. La urma urmei, mai mult de 70% din glob este acoperit de apă și este extrem de dificil și costisitor să instalați, să monitorizați și să direcționați sismometrele subacvatice pentru a controla mișcarea pământului sub mări. Ceea ce ar fi ideal, spun cercetătorii, este să monitorizeze seismismul folosind infrastructura deja desfășurată de-a lungul fundului oceanului.

Încercările anterioare de a utiliza fibra optică pentru a studia seismismul s-au bazat pe adăugarea de instrumente științifice sofisticate și / sau utilizarea așa-numitelor cabluri de fibră optică „fibră întunecată” care nu sunt utilizate în mod activ.

Acum, Zhongwen Zhan (dr. ’13), profesor asistent de geofizică la Caltech, și colegii săi au găsit o modalitate de a analiza lumina care călătorește prin fibre „strălucitoare” – cu alte cuvinte, cabluri submarine existente și funcționale – pentru a detecta cutremure și valuri oceanice fără nevoie de orice echipament suplimentar. Ei descriu noua metodă în numărul din 26 februarie al revistei ştiinţă.

„Această nouă tehnică ar putea transforma într-adevăr majoritatea cablurilor submarine în senzori geofizici care au o lungime de mii de mile pentru a detecta cutremure și, eventual, tsunami în viitor”, spune Jean. „Credem că aceasta este prima soluție la monitorizarea seismică de la fundul oceanului care poate fi aplicată la nivel mondial. Poate completa rețeaua existentă de seismometre terestre și nave de monitorizare a tsunami pentru a face detectarea cutremurelor și a tsunami-urilor submarine mult mai rapidă în multe cazuri. “

Rețelele de cabluri funcționează prin utilizarea de lasere care trimit impulsuri de informații prin fibrele de sticlă topite în interiorul cablurilor pentru a livra date la viteze mai mari de 200.000 de kilometri pe secundă către receptor la celălalt capăt. Pentru a profita la maximum de cabluri – adică pentru a transfera cât mai multe informații posibil prin ele – unul dintre lucrurile pe care operatorii le monitorizează este polarizarea luminii care călătorește prin fibre. La fel ca alte lumini care trec printr-un filtru polarizant, lumina laser este polarizată – adică câmpul său electric oscilează într-o singură direcție mai mult decât atât. Controlul direcției câmpului electric poate permite semnalelor multiple să circule simultan prin aceeași fibră. La capătul de recepție, dispozitivele verifică starea de polarizare a fiecărui semnal pentru a vedea cum s-a schimbat de-a lungul căii cablului pentru a se asigura că semnalele nu se amestecă.

În activitatea lor, cercetătorii s-au concentrat asupra cablului Curie, un cablu de fibră optică submarin care se întinde pe mai mult de 10.000 de mile de-a lungul marginii de est a Oceanului Pacific de la Los Angeles la Valparaiso, Chile. (Deși Jean spune că tehnica poate fi utilizată pe multe dintre sutele de cabluri submarine care traversează globul.)

Pe uscat, tot felul de perturbații, cum ar fi schimbările de temperatură și chiar fulgerele, pot schimba polarizarea luminii care se deplasează prin cablurile de fibră optică. Deoarece temperatura în oceanul adânc rămâne aproape constantă și pentru că există atât de puține perturbări acolo, schimbarea polarizării de la un capăt al cablului Curie la celălalt rămâne destul de stabilă în timp, au descoperit Jean și colegii săi.

Cu toate acestea, în timpul cutremurelor și când furtunile produc valuri oceanice mari, polarizarea se schimbă brusc și dramatic, permițând cercetătorilor să identifice cu ușurință astfel de evenimente în date.

În prezent, când cutremurele au loc la mile în larg, pot dura câteva minute până când undele seismice ajung la seismometre de la sol și chiar mai mult pentru a fi verificate valurile de tsunami. Folosind noua tehnică, întreaga lungime a unui cablu submarin acționează ca un singur senzor într-o locație dificil de monitorizat. Polarizarea poate fi măsurată de 20 de ori pe secundă. Aceasta înseamnă că, dacă un cutremur lovește în apropierea unei anumite zone, un avertisment poate fi transmis în zonele afectate în câteva secunde.

În cele nouă luni de studii raportate în noul studiu (între decembrie 2019 și septembrie 2020), cercetătorii au detectat aproximativ 20 de cutremure medii până la mari de-a lungul cablului Curie, inclusiv cutremurul cu magnitudinea 7,7 care a lovit Jamaica pe 28 ianuarie 2020.

Deși nu a fost detectat niciun tsunami în timpul studiului, cercetătorii au reușit să detecteze modificările polarizării produse de umflarea oceanului care au început în Oceanul Sudic. Ei cred că schimbările de polarizare observate în timpul acelor evenimente au fost cauzate de schimbări de presiune de-a lungul fundului mării, pe măsură ce valurile puternice treceau prin cabluri. „Înseamnă că putem detecta valurile oceanelor, deci este de crezut că într-o zi vom putea detecta valurile tsunami”, spune Jean.

Jean și colegii săi de la Caltech dezvoltă acum un algoritm pentru a învăța mașina care va putea determina dacă modificările detectate ale polarizării sunt produse de cutremure sau valuri oceanice, mai degrabă decât de orice altă modificare a sistemului, cum ar fi o navă sau un crab cablu mobil. Aceștia se așteaptă ca întregul proces de detectare și notificare să fie automatizat pentru a furniza informații critice pe lângă datele deja colectate de rețeaua globală de seismometre terestre și valorile din sistemul de evaluare și raportare a oceanelor profunde ale tsunami (DART), operat de Centrul Național pentru Vopsele de Administrare a Oceanului și a Atmosferei.

Referință: „Senzație seismică și undă de apă bazată pe polarizarea optică în cabluri transoceanice” de Zhongwen Zhan, Mattia Cantono, Valey Kamalov, Antonio Mecozzi, Rafael Müller, Shuang Yin și Jorge C. Castellanos, 26 februarie 2021, ştiinţă.
DOI: 10.1126 / science.abe6648

Jean co-autori ai lucrării includ studentul absolvent Caltech Jorge C. Castellanos (MS ’18); Cercetătorii Google Mattia Cantono, Valey Kamalov, Rafael Muller și Shuang Yin; și Antonio Mecozzi de la Universitatea L’Aquila din Italia.

Cercetarea de la Caltech a fost finanțată de Fundația Gordon și Betty Moore.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Forțele evolutive competitive conduc la evoluția rapidă a Salamander Color

Salamandrele patate sunt o specie răspândită în estul Statelor Unite, care se întorc în iazuri temporare în primăvară pentru a se reproduce. Credit:...

Ce dezvăluie un râu glaciar deasupra stratului de gheață din Groenlanda și creșterea globală a nivelului mării

La marginea stratului de gheață din Groenlanda, unde ghețarii se topesc constant, apa curge peste tot printr-un sistem complicat de lacuri și cursuri de...

Orientările privind distanța fizică trebuie actualizate pentru a reflecta noi științe

De Universitatea Northwestern 12 aprilie 2021 Dr. Robert Murphy a spus că ar trebui să putem merge pe trei picioare. Dr. Robert Murphy, director executiv al Institutului...

Lupii cenușii s-au adaptat perioadei de hrănire și au dispărut din era glaciară

Lupii cenușii călăresc cai în mediul de stepă mamut din Beringia în timpul Pleistocenului (acum aproximativ 25.000 de ani). Credit: Julius Tsotonii Lupii cenușii...

Codul de optimizare crește performanța de 5 ori

Tehnologia dezvoltată printr-o colaborare condusă de KAUST cu Intel, Microsoft și Universitatea din Washington poate crește dramatic viteza de învățare automată în sistemele de...

Newsletter

Subscribe to stay updated.