Cablurile submarine vor fi salvarea de la cutremure și tsunami

Seismologii de la California Institute of Technology (Caltech), care lucrează cu experți în optică de 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 seismelor și a tsunami-urilor din întreaga lume.

O vastă rețea de peste un milion de kilometri de cablu cu fibră optică se află pe fundul oceanelor Pământului. În anii 1980, companiile de telecomunicații și guvernele au început să pozeze aceste cabluri, fiecare dintre ele putându-se întinde pe mii de kilometri. Astăzi, această rețea 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 seismicitatea. La urma urmei, mai mult de 70% din glob este acoperit de apă și este extrem de dificil și costisitor de instalat, monitorizat și a face funcționabile seismometre subacvatice pentru a urmări mișcările scoarței terestre de sub apă, scrie Caltech.

Ceea ce ar fi ideal, spun cercetătorii, este să fie monitorizată seismicitatea prin utilizarea infrastructurii deja existente pe fundul oceanelor.

Fibre „întunecate”, fibre „aprinse”

Eforturile anterioare de utilizare a fibrelor optice pentru a studia seismicitatea s-au bazat pe adăugarea de instrumente științifice sofisticate și/sau utilizarea așa-numitelor „fibre întunecate”, cabluri de fibră optică care nu sunt utilizate în mod activ.

Acum, Zhongwen Zhan, profesor asistent de geofizică la Caltech, și colegii săi, au pus la punct o modalitate de a analiza lumina care călătorește prin fibrele „aprinse” – cu alte cuvinte, cabluri submarine existente și funcționale – pentru a detecta cutremure și valuri oceanice fără a fi nevoie de echipamente suplimentare. Ei descriu noua metodă în numărul din 26 februarie al revistei Science.

„Această nouă tehnică poate converti majoritatea cablurilor submarine în senzori geofizici care au o lungime de mii de kilometri, pentru a detecta cutremure și, eventual, tsunami, în viitor”, spune Zhan.

„Credem că aceasta este prima soluție de monitorizare a seismicității pe fundul oceanului, care ar putea fi implementată în mod fezabil în întreaga lume. Aceasta ar putea completa rețeaua existentă de seismometre terestre și geamanduri de monitorizare a valurilor tsunami, pentru a face detectarea cutremurelor submarine și a tsunami-urilor mult mai repede în multe cazuri”.

Polarizarea luminii

Rețelele de cablu funcționează prin utilizarea de lasere care trimit impulsuri de informații prin fibrele de sticlă grupate în cabluri pentru a furniza date la viteze mai mari de 200.000 de kilometri pe secundă către receptorii de la celălalt capăt. Pentru a face o utilizare optimă a cablurilor – adică pentru a transfera cât mai multe informații posibil pe ele – unul dintre lucrurile pe care operatorii le monitorizează este polarizarea luminii care se deplasează în interiorul fibrelor.

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 degrabă decât în ​​orice direcție. Controlarea 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 traseului cablului pentru a se asigura că semnalele nu se amestecă.

Un gigant de 10.000 de km lungime pe fundul oceanului

În munca lor, cercetătorii s-au concentrat asupra cablului Curie, un cablu de fibră optică submarin care se întinde pe mai mult de 10.000 de kilometri de-a lungul marginii de est a Oceanului Pacific, de la Los Angeles la Valparaiso, Chile. (Deși Zhan spune că tehnica ar putea 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 cabluri cu fibră optică. Deoarece temperatura din oceanul adânc rămâne aproape constantă și deoarece există atât de puține perturbări acolo, schimbarea polarizării de la un capăt al cablului Curie la celălalt rămâne destul de stabilă în timp, au constatat Zhan și colegii săi.

În același timp, în timpul cutremurelor și când furtunile produc valuri oceanice mari, polarizarea se schimbă brusc și radical, permițând cercetătorilor să identifice cu ușurință astfel de evenimente în date.

În prezent, când cutremurele au loc la câteva mile în larg, pot dura câteva minute până când undele seismice ajung la seismometre terestre și chiar mai mult pentru a fi verificate valurile de tsunami.

Avertizare în câteva secunde

Folosind noua tehnică, întreaga lungime a unui cablu submarin acționează ca un singur senzor într-o locație greu de monitorizat. Polarizarea poate fi măsurată de 20 de ori pe secundă. Asta înseamnă că, dacă un cutremur lovește aproape de o anumită zonă, un avertisment ar putea fi transmis în zonele potențial afectate în câteva secunde.

Pe parcursul celor nouă luni de testare raportate în noul studiu (între decembrie 2019 și septembrie 2020), cercetătorii au detectat aproximativ 20 de cutremure, de la moderat la mare, de-a lungul cablului Curie, inclusiv cutremurul cu magnitudinea 7,7 care a avut loc largul Jamaicăi, în 28 ianuarie 2020.

Deși nu au fost detectate tsunami în timpul studiului, cercetătorii au reușit să detecteze modificările de polarizare produse de hula originară din care au apărut în oceanul Antarctic.

Ei cred că schimbările de polarizare observate în timpul acelor evenimente au fost cauzate de schimbările de presiune de-a lungul fundului marin, pe măsură ce valurile puternice treceau pe lângă cablu. „Aceasta înseamnă că putem detecta valurile oceanelor, deci este plauzibil ca într-o zi să putem detecta valurile tsunami”, spune Zhan.

Zhan și colegii săi de la Caltech dezvoltă acum un algoritm de învățare automată care ar putea determina dacă modificările detectate ale polarizării sunt produse de cutremure sau de valuri oceanice, mai degrabă decât de o altă modificare a sistemului, cum ar fi o navă sau o vietate care deplasează cablul.

Ei se așteaptă ca întregul proces de detectare și notificare să fie automatizat pentru a furniza informații critice în plus față de datele deja colectate de rețeaua globală de seismometre terestre și geamandurile din sistemul Deep-ocean Assessment and Reporting of Tsunamis (DART), operat de National Data Buoy Center de la National Oceanic and Atmospheric Administration.