Оптоволоконные кабели образуют новейшую сеть сейсмических датчиков

Кабели, протянувшиеся под и между городами, по морскому дну и ледникам, вдоль береговой линии и вокруг вулканов, могут фиксировать малейшие землетрясения и открывают новые границы для смежных с геологией наук.

Селеста Лабедз услышала странный звук, похожий на гром, катящийся по льду. В этот момент аспирант Калифорнийского технологического института стояла на леднике Таку на Аляске - на огромном заснеженном поле льда между горными пиками. Она привычно зафиксировала начало ледяного землетрясения, то есть кратковременного сейсмического дрожания из-за внезапного движения ледника, пишет журнал Scientific American.

Селеста открыла блокнот, записала время и пошла к полевой лаборатории, чтобы изучить данные, только что собранные сетью оптоволокна, специально растянутого ей и её коллегами по леднику. Новый метод изучения землетрясений с помощью привычных в мире глобального интернета кабелей является многообещающим. Кроме этого, он стимулирует изыскания и в смежных с геологией областях.

Информация проходит через оптическое волокно через импульсы лазерного света, большинство из которых перемещается непосредственно через тонкие стеклянные нити. Но неизбежно небольшое количество их «теряется» из-за микроскопических дефектов кабеля или рассеяно отражается обратно к источнику.

Это отражение изменяется, когда кабель растягивается или изгибается из-за почти любых вибраций земли от землетрясения до проезжающего грузовика. Ученые вроде бы научились не только количественно оценивать, но и довольно качественно интерпретировать отраженные импульсы.

Метод, впервые разработанный в нефтяной промышленностью лет десять назад и известный как распределенное акустическое зондирование (DAS), недавно проник в фундаментальную науку. «Сообщество «DAS» буквально взорвалось за последние пару лет», - говорит Джонатан Аджо-Франклин (Jonathan Ajo-Franklin), геофизик из Университета Райса.

Семинар, организованный Американским геофизическим союзом в декабре прошлого года, собрал ученых, которые использовали эту технологию для мониторинга ледников, гроз и даже глубин океана. Понятно, что одним из основных преимуществ DAS является доступность оптоволоконных кабелей.

Таки кабели могут тянуться на сотни и тысячи километров. И почти каждый метр такого кабеля может считаться датчиком, что выгодно отличает новую технологию от измерений традиционными сейсмометрами. Последние фиксируют колебания земли только в точке установки прибора.

Когда гора Сент-Хеленс начала дрожать перед катастрофическим извержением 1980 года, рядом с ней был установлен всего один сейсмометр. И ученые тогда не смогли понять, было ли землетрясение вызвано пробуждением вулкана.

«Подумайте об этом, как об уличных фонарях. Если у вас есть только пара фонарей, чтобы осветить весь вулкан, вряд ли вы сделаете свою работу хорошо», - объясняет Натаниэль Линдси, геофизик из Стэнфордского университета.

Второе очевидное преимущество заключается в том, что оптическое волокно уже опутало значительную часть мира. Если леднику Таку потребовались новые кабели, то в других местах они проложены с избытком. В городах и на морском дне лежат километры кабелей, которые по той или иной причине никто уже не использует. Но даже вполне работающие коммуникационные сети можно адаптировать под DAS без значительной угрозы каких-то дополнительных потерь данных.

Но основной интерес ученые проявляют именно к «тёмному волокну», как называют со времён финансового краха доткомов заброшенную часть кабелей. Их проложили во время бума доткомов. Когда пузырь лопнул, им не нашли применения. Но к «тёмному волокну» можно подключить блок-анализатор («дознаватель»), чтобы зондировать сейсмическую обстановку.

В прошлом году Тиюань Чжу, геофизик из Университете штата Пенсильвания, адаптировал неиспользованные кабели к существующей волоконной сети ВУЗа для поиска тонких вибраций под студенческим кампусом. Он был удивлен, когда в грозовую ночь услышал чёткий сигнал прибора.

Ученые знают, что сильные вибрации воздуха могут «греметь» на поверхности Земли, но им было не до конца ясно, может ли новая технология фиксировать такой «гром». Но когда Чжу синхронизировал свои результаты с данными из НАСА, не осталось никаких сомнений.

«Я думаю, что есть большой потенциал, чтобы «зажечь фонари» в любом городском районе. Мы теперь можем мониторить не только землетрясения, но и прочие гео-опасности (такие как оползни или цунами). Нельзя не упомянуть и про потенциал для метеорологии», - поясняет Чжу.

Ученые присматриваются и к более отдаленным целям. Для статьи, опубликованной в ноябре прошлого года в журнале Science, Линдси, Аджо-Франклин и Крейг Доу из Монтерейского научно-исследовательского института акватории залива прикрепили «дознаватели» к 20-километровому кабелю, собирающему информацию с приборов на дне залива Монтерей.

Систему тогда отправили на плановое техническое обслуживание. Но простой позволил ученым подключить «дознаватель» к кабелю и собрать вибрации. Всего за четыре дня они нанесли на карту несколько зон подводных разломов и охарактеризовали дрожание морского дна, вызванное движениями моря. Более подробные карты морского дна помогут ученым лучше прогнозировать землетрясения и поведение подводных вулканов, провоцирующих опасные цунами.

Для мониторинга ледника Таку Селеста Лабедз и ее коллеги превратили один оптоволоконный кабель в виртуальную сеть из 3000 сейсмических датчиков. Предварительные результаты отобразили более 100 дрожаний ледника за пять часов измерений. Такое количество объясняется, вероятно, движением талых вод, заполняющих открытые трещины внутри ледника.

Научный руководитель Лабедз профессор Чжунвен Чжан, сейсмолог из Калифорнийского технологического института, надеется в один прекрасный день разместить постоянные оптоволоконные кабели в Гренландии или Антарктиде, чтобы помочь исследованию таяния ледников из-за изменения климата.

У Чжана есть еще одна большая мечта: построить эквивалент сети с миллионом датчиков в Калифорнии, используя около 1000 километров «темного волокна». Он уже преобразовал 37 километров в постоянную сейсмическую сеть под Пасаденой и хотел бы сделать то же самое в других городах по всему штату. Данные могут выявить уязвимости в инфраструктуре городов и помочь заранее предупредить жителей о моменте начала землетрясения.

«Это будет огромной помощью в подготовке сообщества к ЧП. На данный момент ученые не могут предсказать землетрясения, но лучшее понимание предваряющих толчков, которые иногда приводят к основному землетрясению, может только помочь в этом. Возможно, произойдет даже прорыв в этой области», - говорит Чжан.

Однако количество получаемых данных создает большую проблему для их обработки. DAS легко генерирует 10 и более терабайт информации всего с одного кабеля. За сто дней количество данных достигает петабайта. Для сравнения, в международном хранилище сейсмологической информации, которое собирает все сейсмологические данные по всему миру, сейчас содержится менее одного петабайта.

Прежде чем ученые подключатся к «темному волокну» и развернут кабели через отдаленные районы, они должны научиться хранить и передаватьколоссальные объемы информации.a