Χρήση καλωδίων οπτικών ινών στην ανοικτή θάλασσα για τον εντοπισμό σεισμών

Πίστωση: Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια

Οι σεισμολόγοι της Caltech που συνεργάζονται με εμπειρογνώμονες οπτικών στο Google έχουν αναπτύξει μια μέθοδο για τη χρήση υπαρχόντων υποβρυχίων τηλεπικοινωνιακών καλωδίων για την ανίχνευση σεισμών. Αυτή η τεχνική θα μπορούσε να οδηγήσει σε βελτιωμένα συστήματα προειδοποίησης για σεισμούς και τσουνάμι σε όλο τον κόσμο.


Ένα τεράστιο δίκτυο καλωδίων οπτικών ινών άνω των εκατομμυρίων χιλιομέτρων βρίσκεται στον πυθμένα των ωκεανών της Γης. Τη δεκαετία του 1980, οι εταιρείες τηλεπικοινωνιών και οι κυβερνήσεις άρχισαν να τοποθετούν αυτά τα καλώδια, καθένα από τα οποία μπορεί να εκτείνεται σε χιλιάδες μίλια. Σήμερα, το παγκόσμιο δίκτυο θεωρείται η ραχοκοκαλιά των διεθνών τηλεπικοινωνιών.

Οι επιστήμονες έχουν εδώ και πολύ καιρό αναζητήσει έναν τρόπο χρήσης αυτών των βυθισμένων καλωδίων για την παρακολούθηση της σεισμικότητας. Εξάλλου, περισσότερο από το 70% του πλανήτη καλύπτεται με νερό και είναι εξαιρετικά δύσκολο και ακριβό να εγκαταστήσετε, να παρακολουθήσετε και να χρησιμοποιήσετε υποβρύχια σεισμόμετρα για να παρακολουθείτε τις κινήσεις της Γης κάτω από τις θάλασσες. Στην ιδανική περίπτωση, είπαν οι ερευνητές, για να παρακολουθήσουν τη σεισμικότητα χρησιμοποιώντας την υποδομή που υπάρχει ήδη κατά μήκος του πυθμένα του ωκεανού.

Προηγούμενες προσπάθειες για τη χρήση οπτικών ινών για τη μελέτη της σεισμικότητας στηρίχθηκαν στην προσθήκη προηγμένων επιστημονικών οργάνων ή / και στη χρήση των λεγόμενων “σκοτεινών ινών”, καλωδίων οπτικών ινών που δεν χρησιμοποιούνται ενεργά.

Τώρα ο Zhongwen Zhan (Ph.D. ’13), επίκουρος καθηγητής γεωφυσικής στο Caltech και οι συνάδελφοί του έχουν επινοήσει έναν τρόπο ανάλυσης του φωτός που ταξιδεύει μέσω “αναμμένων” ινών – με άλλα λόγια, υφιστάμενων και λειτουργικών υποβρυχίων καλωδίων – για την ανίχνευση σεισμών κύματα του ωκεανού χωρίς την ανάγκη πρόσθετου εξοπλισμού. Περιγράφουν τη νέα μέθοδο στο τεύχος του περιοδικού της 26ης Φεβρουαρίου Επιστήμη.

“Αυτή η νέα τεχνική μπορεί πραγματικά να μετατρέψει την πλειονότητα των υποβρυχίων καλωδίων σε γεωφυσικούς αισθητήρες μήκους χιλιάδων μιλίων για να ανιχνεύσει σεισμούς και πιθανώς τσουνάμι στο μέλλον”, λέει ο Zhan. “Πιστεύουμε ότι αυτή είναι η πρώτη λύση παρακολούθησης σεισμικότητας στον πυθμένα του ωκεανού που θα μπορούσε να εφαρμοστεί παγκοσμίως.” Θα μπορούσε να συμπληρώσει το υπάρχον δίκτυο σεισμομέτρων εδάφους και σημαντήρων παρακολούθησης τσουνάμι για να διευκολύνει την ανίχνευση υποθαλάσσιων σεισμών και τσουνάμι. γρηγορότερα σε πολλές περιπτώσεις. “

Τα ενσύρματα δίκτυα λειτουργούν μέσω της χρήσης λέιζερ που αποστέλλουν παλμούς πληροφοριών μέσω ινών γυαλιού που είναι συσσωρευμένα σε καλώδια για την παροχή δεδομένων με ρυθμούς ταχύτερους από 200.000 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο στους δέκτες στο άλλο άκρο. Για να αξιοποιήσετε καλύτερα τα καλώδια, δηλαδή να μεταφέρετε όσο το δυνατόν περισσότερες πληροφορίες μεταξύ τους, ένα από τα πράγματα που παρακολουθούν οι χειριστές είναι η πόλωση του φωτός που ταξιδεύει μέσω των ινών. Όπως κάθε άλλο φως που διέρχεται από ένα φίλτρο πόλωσης, το φως λέιζερ είναι πολωμένο, δηλαδή, το ηλεκτρικό πεδίο του κυμαίνεται σε μία κατεύθυνση και όχι σε οποιαδήποτε κατεύθυνση. Ο έλεγχος της κατεύθυνσης του ηλεκτρικού πεδίου μπορεί να επιτρέψει ταυτόχρονη διέλευση πολλαπλών σημάτων μέσω της ίδιας ίνας. Κατά τη λήψη, οι συσκευές ελέγχουν την κατάσταση πόλωσης κάθε σήματος για να δουν πώς έχει αλλάξει κατά μήκος της διαδρομής του καλωδίου για να βεβαιωθείτε ότι τα σήματα δεν αναμιγνύονται.

Στη δουλειά τους, οι ερευνητές επικεντρώθηκαν στο Curie Cable, ένα υποθαλάσσιο καλώδιο οπτικών ινών που εκτείνεται σε περισσότερα από 10.000 χιλιόμετρα κατά μήκος του ανατολικού άκρου του Ειρηνικού Ωκεανού από το Λος Άντζελες έως το Valparaiso της Χιλής. (Αν και ο Zhan λέει ότι η τεχνική θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε πολλά από τα εκατοντάδες υποβρύχια καλώδια που διασχίζουν τον κόσμο.)

Στη γη, κάθε είδους διαταραχές, όπως αλλαγές θερμοκρασίας και ακόμη και κεραυνοί, μπορούν να αλλάξουν την πόλωση του φωτός που διέρχεται από καλώδια οπτικών ινών. Επειδή η θερμοκρασία στον βαθύ ωκεανό παραμένει σχεδόν σταθερή και υπάρχει τόσο μικρή διαταραχή εκεί, η αλλαγή της πόλωσης από το ένα άκρο του καλωδίου Curie στο άλλο παραμένει αρκετά σταθερή με την πάροδο του χρόνου, σημείωσαν ο Zhan και οι συνεργάτες του.

Ωστόσο, κατά τη διάρκεια σεισμών και όταν οι καταιγίδες παράγουν μεγάλα κύματα στον ωκεανό, η πόλωση αλλάζει ξαφνικά και δραστικά, επιτρέποντας στους ερευνητές να εντοπίσουν εύκολα τέτοια γεγονότα στα δεδομένα.

Προς το παρόν, όταν συμβαίνουν σεισμοί μίλια στα ανοικτά της θάλασσας, τα σεισμικά κύματα μπορεί να χρειαστούν λίγα λεπτά για να φτάσουν στα χερσαία σεισμόμετρα και ακόμη περισσότερο για να ελεγχθούν τα κύματα τσουνάμι. Χρησιμοποιώντας τη νέα τεχνική, όλο το μήκος ενός υποθαλάσσιου καλωδίου λειτουργεί ως ένας μοναδικός αισθητήρας σε μια τοποθεσία που είναι δύσκολο να ελεγχθεί. Η πόλωση μπορεί να μετρηθεί έως και 20 φορές ανά δευτερόλεπτο. Αυτό σημαίνει ότι εάν ένας σεισμός χτυπήσει κοντά σε μια συγκεκριμένη περιοχή, μια προειδοποίηση θα μπορούσε να σταλεί σε δυνητικά πληγείσες περιοχές μέσα σε δευτερόλεπτα.

Κατά τη διάρκεια των εννέα μηνών δοκιμών που αναφέρθηκαν στη νέα μελέτη (μεταξύ Δεκεμβρίου 2019 και Σεπτεμβρίου 2020), οι ερευνητές εντόπισαν περίπου 20 μέτριους έως μεγάλους σεισμούς κατά μήκος του Curie Cable, συμπεριλαμβανομένου του μεγέθους 7,7. σεισμός που έλαβε χώρα από την Τζαμάικα στις 28 Ιανουαρίου 2020.

Αν και δεν εντοπίστηκαν τσουνάμι κατά τη διάρκεια της μελέτης, οι ερευνητές μπόρεσαν να ανιχνεύσουν αλλαγές πόλωσης που προκαλούνται από πρήγματα ωκεανών που προέρχονται από τον Νότιο Ωκεανό. Πιστεύουν ότι οι αλλαγές πόλωσης που παρατηρήθηκαν κατά τη διάρκεια αυτών των γεγονότων προκλήθηκαν από αλλαγές πίεσης κατά μήκος του βυθού καθώς ισχυρά κύματα πέρασαν μέσω του καλωδίου. «Αυτό σημαίνει ότι μπορούμε να ανιχνεύσουμε τα κύματα των ωκεανών, οπότε είναι εύλογο ότι μια μέρα θα μπορέσουμε να εντοπίσουμε τα κύματα τσουνάμι», λέει ο Zhan.

Ο Zhan και οι συνεργάτες του στο Caltech αναπτύσσουν επί του παρόντος έναν αλγόριθμο μηχανικής μάθησης που θα μπορούσε να καθορίσει εάν οι ανιχνευμένες αλλαγές στην πόλωση προκαλούνται από σεισμούς ή κύματα στον ωκεανό αντί για κάποια άλλη αλλαγή στο σύστημα, όπως ένα πλοίο ή καβούρι που καλώδιο. Αναμένουν ότι ολόκληρη η διαδικασία ανίχνευσης και ειδοποίησης μπορεί να αυτοματοποιηθεί για να παρέχει κρίσιμες πληροφορίες εκτός από τα δεδομένα που έχουν ήδη συλλεχθεί από το παγκόσμιο δίκτυο σεισμόμετρα εδάφους και σημαντήρες στα βάθηωκεανός Σύστημα εκτίμησης και αναφοράς τσουνάμι (DART), το οποίο διαχειρίζεται το Εθνικό Κέντρο Σημαντικών Δεδομένων της Εθνικής Ωκεανικής και Ατμοσφαιρικής Διοίκησης.

Νέος Επιστήμη το άρθρο φέρει τον τίτλο “Ανίχνευση σεισμικών και υδάτινων κυμάτων με οπτική πόλωση σε υπερωκεάνια καλώδια”.


Χρησιμοποιώντας υποβρύχια καλώδια για την ανίχνευση σεισμών


Περισσότερες πληροφορίες:
Οι Zhongwen Zhan et al. Ανίχνευση σεισμικών και υδάτινων κυμάτων με οπτική πόλωση σε υπερωκειακά καλώδια, Επιστήμη (2021). DOI: 10.1126 / science.abe6648

Παραθέτω, αναφορά: Η χρήση καλωδίων οπτικών ινών στην ανοικτή θάλασσα για τον εντοπισμό σεισμών (2021, 26 Φεβρουαρίου) ανακτήθηκε στις 27 Φεβρουαρίου 2021 από https://phys.org/news/2021-02-submarine-cables-earthquakes.html

Αυτό το έγγραφο υπόκειται σε πνευματικά δικαιώματα. Εκτός από την ορθή χρήση για ιδιωτικούς σκοπούς μελέτης ή έρευνας, κανένα μέρος δεν μπορεί να αναπαραχθεί χωρίς γραπτή άδεια. Το περιεχόμενο παρέχεται μόνο για πληροφορίες.

READ  Ο ιολόγος μίλησε για τον αντίκτυπο του παγώματος στην πανδημία κοροναϊού στη Ρωσία: Πολιτική: Ρωσία: Lenta.ru

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται με *