На бюрото на Шан Доу стоят три спретнати кули на твърди дискове. Попълнени само за няколко месеца, те съдържат около 500 терабайта сеизмични данни. Това е умопомрачително огромно количество данни за събиране и обработка - малко повече от количеството, което понастоящем се съхранява в националното хранилище на сеизмичните данни, което има архив от 1970 година.
Откъде се излива цялата тази информация? Отговорът се крие под краката ви: оптични влакна.
Доу е докторантичен изследовател в Националната лаборатория на Лорънс Беркли, който работи за поставяне на хилядите километри оптични кабели, които пресичат земното кълбо, за да се използват в осведомеността за геозащита - наблюдение на свлачища, капки на вечна замръзване, отвори и дори промени в инжектирания въглероден двуокис. Но в ново проучване, основано на основополагащата работа на Ду и публикувано миналия месец в списанието Geophysical Research Letters, изследователите намекват за потенциала и гъвкавостта на влакната, за да открият една конкретна опасност: земетресения.
За да открият малките тремори в земята, изследователите често използват чувствителни инструменти, наречени сеизмометри. Но всеки от тези устройства може да бъде скъп за инсталиране и труден за поддръжка. И те не винаги могат да се използват, обяснява Нейт Линдси, докторант в Калифорнийския университет, Сеизмологичната лаборатория на Беркли и водещ автор на новото проучване. „Има области, в които може да е важно да се постави сеизмометър - мисля за офшор, мисля, че градски райони - където това е… трудно от логистична гледна точка и от гледна точка на сигурността“, казва той.
Нейт Линдзи обрязва кабела на полевата гара Ричмънд (любезно Джонатан Айо-Франклин) Именно там влизат оптичните влакна - и планините от данни. Хиляди оптични линии минават през нашата страна, дори се простират в океаните. Така че, ако изследователите могат да се възползват от тази система за наблюдение на земетресението, тя предлага безпрецедентен обем информация, казва Дъ, който е работил с Линдзи в UC Berkeley, докато завършва докторантурата си.
Идеята е доста проста. Много оптични компании инсталират повече оптични кабели, отколкото им е необходимо, което води до система от така наречените "тъмни влакна" - влакна, свързани в подземни тръби, които могат да бъдат използвани за алтернативни цели, като например земетресение. Но всяка от тези оптични линии е несъвършена. Когато излъчвате светлина върху отделните нишки от оптични влакна, тези несъвършенства в структурата отскачат част от светлината. Изследователите могат да прикрепят това, което е известно като лазерен интерферометър в единия край на линията, за да изпращат и измерват промените в тези върнати проблясъци, различавайки минутни компресии или удължения на кабелите поради вибрации на земята.
„Всеки метър оптични влакна в нашата мрежа действа като сензор и струва по-малко от един долар за инсталиране“, казва в прессъобщение Biondo Biondi, геофизик от Станфорд и автор на новата книга. „Никога няма да можете да създадете мрежа, използвайки конвенционални сеизмометри с такъв вид покритие, плътност и цена.“
"Това е красотата на това", обяснява Дъ, "Не е нужно да правим нещо специално, просто купуваме нещо, което вече е широко достъпно за телекомуникациите."
Но да се разбере как точно да се използват тези влакна за откриване на земетресение е необходимо малко повече работа. Една голяма неизвестност е чувствителността. Това използване на оптични влакна за измерване на вибрации в земята се появи от нефтената и газовата индустрия, която използва линиите за наблюдение на тръбопроводи и кладенци - като правеше неща като слушане на тътен на приближаващи превозни средства. Но за тези цели оптичните влакна обикновено са „свързани“ или циментирани в земята, което води до по-ефективно пренасяне на земните мърмори и разклащания към влакната.
„Хората не вярваха, че това ще работи“, казва Айлин Мартин, аспирант в лабораторията на Бионди и друг автор на статията. „Те винаги са предполагали, че несвързаното оптично влакно ще генерира твърде много сигнален шум, за да бъде полезно.“ Но първоначалните тестове, проведени като сътрудничество между Stanford, UC Berkeley и Berkeley National Lab, са обещаващи.
Изследователите на UC Berkeley са работили върху използването на оптични влакна за наблюдение на подземната повърхност в продължение на пет години, записвайки околни шумове като преминаване на автомобили с влакната, за да проучат промените в важни характеристики, като водната маса. (През септември екипът публикува тази работа в сътрудничество с учени от лабораторията за изследване и инженеринг на американската армия за студени региони в Аляска и университета в Станфорд в списание Scientific Reports . ) За новото проучване на оптичния потенциал за наблюдение на земетресението учените сравняват наблюдения на земетресението, използващи три различни оптични масиви, включително оптични оптични линии в близост до Феърбанкс, Аляска, погребани Г-образни линии в Ричмънд, Калифорния, и контур с цифра-8, инсталиран в съществуващ далекосъобщителен канал, работещ под кампуса на Станфорд.
Джонатан Айо-Франклин (вляво) инсталира експериментален тестов оптичен масив на полевата станция в Ричмънд. (Любезно Джонатан Айо-Франклин) Екипът е записал редица събития и в трите системи. Само в контура на Станфорд изследователите са катализирали повече от 800 темблора, тъй като събирането на данни започна през септември 2016 г., като избират сигналите в данните след преминаването на събитията. "Можем да ги видим от Мексико, от Италия, от Оклахома ..., както и тийнейджърски малки в кампуса на Станфорд", казва Бионди.
Карта показва местоположението на 3-мили милиметров контур от оптични влакна, инсталиран под кампуса в Станфорд, като част от оптичната сеизмична обсерватория. (Стамен Дизайн и Музеят на Виктория и Алберт) Като цяло резултатите са обнадеждаващи. Както казва Бионди, "потенциално всички парчета са там", но трябва да се работи повече, за да се стартира системата.
Понастоящем Линдзи и неговият екип тестват възможностите на оптичните влакна в 13-мили мили тъмни влакна в Сакраменто, Калифорния, собственост на компанията Level 3 Communications, която наскоро беше закупена от CenturyLink. Те сравняват своя измерен сигнал с традиционните сеизмометри.
"Сравнението е добро", казва Линдзи. "Трябва да се направят много повече изследвания, за да се разберат и изяснят предимствата и недостатъците на оптичното оптично сензор. Но има сигнал в оптичния сензор, който е над нивото на шума, и това е полезно." Те подготвят ръкопис на този проект, който да бъде публикуван в рецензиран журнал следващия месец.
Чувствителността все още е обезпокоителна за широкото приложение на оптичните влакна за определяне на земетресението. "За момента влакната имат тенденция да имат по-ниска чувствителност от конвенционалния сеизмометър", казва Дъ. Други колеги, отбелязва тя, в момента проучват начините за подобряване на способностите за оптично оптично влакно. Има и доста неизвестни за условията на инсталиране на съществуващи далекосъобщителни мрежи. Малки ощипвания, като например броя на оптичните кабели в тръба, могат да повлияят на откриването и по този начин способността на влакното да предава точна информация за земетресенията.
Също толкова важна е необходимостта от разработване на методи за обработка и анализ на толкова големи количества данни в реално време. „Това е чудесна площадка за данни, с която трябва да се работи“, казва Линдзи. „Но с нетърпение очаквам деня, в който студентите не вземат куфари на твърди дискове, за да разрешат този проблем.“
За Клей Киркендал, изследовател от ВМС, който работи с оптични сензори през последните 20 години, цената остава проблем с новата система. "Със сигурност влакната вече са там и това е голяма част от разходите", казва Киркендал, който не е бил част от проучването. Но все още се нуждаете от устройство, което да отскача светлината по линиите и да измерва връщащите се сигнали - и прескачането на този аспект на системата може да жертва чувствителността, казва той. Не е ясно колко ще струват висококачествените лазерни разпитвачи в момента, но Biondi се надява, че с напредването на технологиите цената на тези системи ще намалее.
Ако изследователите успеят да измислят тези препятствия, оптичните влакна могат да предложат решение на многото предизвикателства за наблюдение на земетресението. Тази технология би могла да бъде особено полезна за подобряване на системи, които предупреждават общности за близките земетресения, за да им предоставят само част от допълнителното време, за да се подготвят за разтърсването. Положителните въздействия - и провалите - на такива мрежи бяха подчертани по-рано тази година в поредицата от трусове в Мексико.
Оптичната сеизмична обсерватория с оптични влакна откри успешно земетресението с магнитуд 8, 2, което удари централно Мексико на 8 септември 2017 г. (Siyuan Yuan) Мексиканската система за предупреждение за сеизмична сигнализация или SASMEX е първата система за ранно предупреждение, която уведомява обществото за чакащи земетресения. Мрежа от сеизмометри, инструментът, който традиционно се използва за наблюдение на земетресения, спекуларни участъци на страната, наблюдение за тремор. Веднага след като тази мрежа регистрира нещо достатъчно голямо за потенциална загриженост, предупреждението изгасва, което може да осигури от секунди до пълна минута на предизвестие при входящия удар.
Линдзи подчертава, че идеята не е да се заменят съществуващите системи - „в най-добрия случай (оптичните влакна) може да не е толкова добър, колкото най-добрият сеизмометър“, отбелязва той, - а по-скоро да ги подобри. "Ние виждаме оптичната сеизмология на оптиката като чудесен начин за допълване на техники за ранно предупреждение при земетресение, които се изграждат сега около планетата", казва той.
Въпреки че има още много работа, за да се случи това, екипи от изследователи и много университети са по случая. "Това наистина е по-голямо начинание", казва Дъ, отбелязвайки, че екип на CalTech работи по подобни проекти от тъмни влакна.
„Това е бързо развиваща се област и имаме късмет, че сме на пионерска позиция“, казва тя.
