Χρήση υποβρυχίων καλωδίων για εντοπισμό σεισμών

0
28

Σεισμολόγοι στο Caltech συνεργαζόμενοι με ειδικούς οπτικής της Google ανέπτυξαν μία μέθοδο που χρησιμοποιεί υπάρχοντα υποβρύχια καλώδια τηλεπικοινωνιών για τον εντοπισμό σεισμών. Η τεχνική αυτή θα μπορούσε να οδηγήσει σε βελτιωμένα συστήματα προειδοποίησης σεισμών και τσουνάμι ανά τον κόσμο.

Στον βυθό των ωκεανών του πλανήτη υπάρχει ένα τεράστιο δίκτυο άνω του ενός εκατ. χιλιομέτρων καλωδίων οπτικής ίνας. Η εγκατάστασή τους άρχισε τη δεκαετία του 1980 από εταιρείες τηλεπικοινωνιών και κυβερνήσεις, και το καθένα από αυτά μπορεί να εκτείνεται για χιλιάδες χιλιόμετρα. Το παγκόσμιο αυτό δίκτυο αποτελεί τη «ραχοκοκαλιά» των διεθνών τηλεπικοινωνιών.

Επιστήμονες αναζητούσαν εδώ και καιρό έναν τρόπο να χρησιμοποιηθούν αυτά τα καλώδια για την παρακολούθηση της σεισμικότητας, δεδομένου και ότι το 70% του κόσμου καλύπτεται από νερό και είναι πολύ δύσκολο και δαπανηρό να εγκαθίστανται, να παρακολουθούνται και να λειτουργούν υποβρύχια σεισμόμετρα. Αυτό που θα ήταν ιδανικό, όπως εκτιμάται, είναι η παρακολούθηση της σεισμικότητας μέσω ήδη υπαρχουσών υποδομών.

Προηγούμενες προσπάθειες για τη χρήση οπτικών ινών για τη μελέτη της σεισμικότητας είχαν οδηγήσει στην πρόσθεση εξελιγμένων επιστημονικών οργάνων και τη χρήση της αποκαλούμενης «σκοτεινής ίνας», δηλαδή καλωδίων οπτικής ίνας που δεν χρησιμοποιούνται ενεργά.

Ο Ζονγκγουέν Ζαν, επίκουρος καθηγητής γεωφυσικής στο Caltech, και οι συνάδελφοί του, έχουν βρει έναν τρόπο ανάλυσης του φωτός που ταξιδεύει μέσα από «φωτεινή ίνα» (υπάρχοντα και λειτουργικά υποβρύχια καλώδια) για τον εντοπισμό σεισμών και κυμάτων ωκεανών χωρίς την ανάγκη για επιπλέον εξοπλισμό. Η νέα μέθοδος περιγράφεται στο Science.

«Αυτή η νέα τεχνική μπορεί πραγματικά να μετατρέψει την πλειονότητα των υποβρύχιων καλωδίων σε γεωφυσικούς αισθητήρες μήκους χιλιάδων χιλιομέτρων για τον εντοπισμό σεισμών και πιθανώς τσουνάμι στο μέλλον» είπε ο Ζαν. «Πιστεύουμε πως αυτή είναι η πρώτη λύση για την παρακολούθηση σεισμικότητας στον πυθμένα του ωκεανού που θα μπορούσε να εφαρμοστεί βιώσιμα ανά τον κόσμο. Θα μπορούσε να συμπληρώσει το υπάρχον δίκτυο σεισμομέτρων εδάφους και σημαδουρών παρακολούθησης τσουνάμι για να γίνει ο εντοπισμός υποβρύχιων σεισμών και τσουνάμι πολύ ταχύτερα σε πολλές περιπτώσεις».

Τα δίκτυα καλωδίων λειτουργούν μέσω της χρήσης λέιζερ που στέλνουν παλμούς πληροφορίας μέσω γυάλινων ινών που είναι συγκεντρωμένα μέσα στα καλώδια για την αποστολή δεδομένων σε ρυθμούς υψηλότερους των 200.000 χλμ ανά δευτερόλεπτο, σε δέκτες στην άλλη άκρη. Για τη βέλτιστη δυνατή χρήση των καλωδίων ένα από αυτά που παρατηρούν οι διαχειριστές τους είναι η πόλωση του φωτός που ταξιδεύει ενός των ινών. Όπως και άλλα είδη φωτός που περνούν μέσα από πολωτικά φίλτρα, το φως λέιζερ είναι πολωμένο, δηλαδή το ηλεκτρικό του πεδιο πάλλεται προς μία μόνο κατεύθυνση. Ο έλεγχος της κατεύθυνσης του ηλεκτρικού πεδίου μπορεί να επιτρέψει σε πολλαπλά σήματα να ταξιδεύουν ταυτόχρονα μέσα από την ίδια ίνα. Στο σημείο άφιξης, συσκευές ελέγχουν την κατάσταση της πόλωσης του κάθε σήματος για να δουν πώς έχει αλλάξει κατά μήκος της πορείας του καλωδίου έτσι ώστε να διασφαλίζεται πως τα σήματα δεν μπλέκονται.

Επί της προκειμένης οι ερευνητές εστίασαν στο καλώδιο Curie (Curie Cable), που εκτείνεται κατά πάνω από 10.000 χλμ, κατά μήκος της ακτής του Ειρηνικού, από το Λος Άντζελες ως το Βαλπαραΐσο της Χιλής.

Στην ξηρά, κάθε είδους διαταραχή (αλλαγές θερμοκρασία, κεραυνοί κλπ) μπορεί να αλλάξει την πόλωση του φωτός που κινείται μέσα σε καλώδια οπτικής ίνας. Επειδή η θερμοκρασία στα βάθη του ωκεανού παραμένει σχεδόν σταθερή και επειδή υπάρχουν λίγες διαταραχές εκεί, η αλλαγή στην πόλωση από τη μια άκρη του καλωδίου ως την άλλη παραμένει σταθερή σε βάθος χρόνου, όπως διαπίστωσαν οι ερευνητές. Ωστόσο κατά τη διάρκεια σεισμών ή όταν καταιγίδες παράγουν μεγάλα κύματα, η πόλωση αλλάζει ξαφνικά και δραματικά, επιτρέποντας στους ερευνητές να εντοπίζουν εύκολα τέτοια γεγονότα στα δεδομένα.

Κατά τους εννιά μήνες δοκιμών που έγιναν στη νέα έρευνα (Δεκέμβριος 2019-Σεπτέμβριος 2020) οι ερευνητές εντόπισαν περίπου 20 μεσαίους- μεγάλους σεισμούς κατά μήκος του καλωδίου, μεταξύ των οποίων και ο 7,7 Ρίχτερ σεισμός στη Τζαμάικα στις 28 Ιανουαρίου 2020. Αν και δεν εντοπίστηκαν τσουνάμι κατά τη διάρκεια της έρευνας, οι επιστήμονες ήταν σε θέση να εντοπίσουν αλλαγές στην πόλωση που προκλήθηκαν από φουσκώματα του ωκεανού τα οποία προκλήθηκαν στον νότιο ωκεανό. Όπως εκτιμούν, οι αλλαγές στην πόλωση που παρατηρήθηκαν είχαν προκληθεί από μεταβολές πίεσης στον πυθμένα, καθώς περνούσαν ισχυρά κύματα. «Αυτό σημαίνει ότι μπορούμε να εντοπίσουμε κύματα του ωκεανού, οπότε είναι πιθανόν κάποια ημέρα να μπορούμε να εντοπίζουμε κύματα τσουνάμι» είπε ο Ζαν.

Ο ίδιος και οι συνάδελφοί του στο Caltech αναπτύσσουν τώρα έναν αλγόριθμο machine learning που θα ήταν σε θέση να δείξει εάν οι αλλαγές στην πόλωση που εντοπίζονται παράγονται από σεισμούς ή κύματα ωκεανού αντί για κάποια άλλη αλλαγή στο σύστημα, όπως ένα πλοίο ή ένα καβούρι που πειράζει το καλώδιο. Όπως εκτιμάται, η όλη διαδικασία εντοπισμού και ενημέρωσης θα μπορούσε να αυτοματοποιηθεί για να παρέχει κρίσιμης σημασίας πληροφορίες, επιπρόσθετα στα δεδομένα που ήδη συλλέγονται από το παγκόσμιο δίκτυο επίγειων σεισμομέτρων και τις σημαδούρες του συστήματος DART (Deep-ocean Assessment and Reportint of Tsunamis).