Сейсмологи из Калифорнийского технологического института совместно с экспертами по оптике из Google разработали метод использования существующих подводных телекоммуникационных кабелей для обнаружения землетрясений. Этот метод может привести к улучшению систем предупреждения о землетрясениях и цунами во всем мире.

Обширная сеть из более чем миллиона километров волоконно - оптического кабеля лежит на дне земных океанов. В 1980-х годах телекоммуникационные компании и правительства начали прокладывать эти кабели, каждый из которых может охватывать тысячи километров. Сегодня глобальная сеть считается основой международных телекоммуникаций.

Ученые давно искали способ использовать эти подводные кабели для мониторинга сейсмичности. В конце концов, более 70 процентов земного шара покрыто водой, и чрезвычайно трудно и дорого установить, контролировать и запускать подводные сейсмометры, чтобы отслеживать движение земли под морями. Что было бы идеально, говорят исследователи, так это следить за сейсмичностью, используя инфраструктуру, уже имеющуюся на дне океана.

Предыдущие попытки использовать оптические волокна для изучения сейсмичности опирались на добавление сложных научных инструментов и/или использование так называемых "темных волокон", волоконно-оптических кабелей, которые активно не используются.

Теперь Чжунвэнь Чжань (Ph. D. '13), доцент геофизики в Калифорнийском технологическом институте, и его коллеги придумали способ анализа света, проходящего через "освещенные" волокна—другими словами, существующие и функционирующие подводные кабели—для обнаружения землетрясений и океанских волн без необходимости какого-либо дополнительного оборудования. Они описывают новый метод в номере журнала Science от 26 февраля.

"Этот новый метод действительно может превратить большинство подводных кабелей в геофизические датчики длиной в тысячи километров для обнаружения землетрясений и, возможно, цунами в будущем", - говорит Чжан. "Мы считаем, что это первое решение для мониторинга сейсмичности на дне океана, которое может быть реально реализовано во всем мире. Он мог бы дополнить существующую сеть наземных сейсмометров и буев для мониторинга цунами, чтобы во многих случаях значительно ускорить обнаружение подводных землетрясений и цунами."

Кабельные сети работают с помощью лазеров, которые посылают импульсы информации через стеклянные волокна, связанные в кабелях, чтобы доставить данные со скоростью более 200 000 километров в секунду к приемникам на другом конце. Чтобы оптимально использовать кабели, то есть передавать по ним как можно больше информации, операторы следят за поляризацией света, проходящего внутри волокон. Как и любой другой свет, проходящий через поляризационный фильтр, лазерный свет поляризован—это означает, что его электрическое поле колеблется только в одном направлении, а не в любом другом. Управление направлением электрического поля может позволить нескольким сигналам проходить через одно и то же волокно одновременно. На приемном конце устройства проверяют состояние поляризации каждого сигнала, чтобы увидеть, как он изменился вдоль пути кабеля, чтобы убедиться, что сигналы не смешиваются.

В своей работе исследователи сосредоточились на кабеле Кюри, подводном волоконно-оптическом кабеле, который протянулся более чем на 10 000 километров вдоль восточного края Тихого океана от Лос-Анджелеса до Вальпараисо, Чили. (Хотя Чжан говорит, что эта техника может быть использована на многих из сотен подводных кабелей, которые пересекают земной шар.)

На суше всевозможные возмущения, такие как изменения температуры и даже удары молнии, могут изменить поляризацию света, проходящего по волоконно-оптическим кабелям. Поскольку температура в глубоком океане остается почти постоянной и поскольку там так мало возмущений, изменение поляризации от одного конца кабеля Кюри к другому остается довольно стабильным с течением времени, обнаружили Чжан и его коллеги.

Однако во время землетрясений и когда штормы производят большие океанские волны, поляризация меняется внезапно и резко, что позволяет исследователям легко идентифицировать такие события в данных.

В настоящее время, когда землетрясения происходят в милях от берега, может потребоваться несколько минут, чтобы сейсмические волны достигли наземных сейсмометров, и еще больше времени для проверки любых волн цунами. Используя новую технику, вся длина подводного кабеля действует как единый датчик в труднодоступном месте. Поляризацию можно измерять до 20 раз в секунду. Это означает, что если землетрясение произойдет вблизи определенного района, предупреждение может быть доставлено в потенциально пострадавшие районы в течение нескольких секунд.

За девять месяцев испытаний, о которых сообщалось в новом исследовании (с декабря 2019 года по сентябрь 2020 года), исследователи обнаружили около 20 умеренных и крупных землетрясений вдоль кабеля Кюри, включая землетрясение магнитудой 7,7, произошедшее у берегов Ямайки 28 января 2020 года.

Хотя в ходе исследования цунами не было обнаружено, исследователи смогли обнаружить изменения поляризации, вызванные океанскими волнами, которые возникли в Южном океане. Они считают, что изменения поляризации, наблюдаемые во время этих событий, были вызваны изменениями давления вдоль морского дна, когда мощные волны проходили мимо кабеля. "Это означает, что мы можем обнаружить океанские волны, поэтому вполне вероятно, что однажды мы сможем обнаружить волны цунами", - говорит Чжан.

Чжан и его коллеги из Калифорнийского технологического института сейчас разрабатывают алгоритм машинного обучения, который сможет определить, вызваны ли обнаруженные изменения поляризации землетрясениями или океанскими волнами, а не какими-то другими изменениями в системе, такими как корабль или краб, перемещающий кабель. Они ожидают, что весь процесс обнаружения и уведомления может быть автоматизирован для предоставления критической информации в дополнение к данным, уже собранным глобальной сетью наземных сейсмометров и буями в системе Глубоководной оценки и отчетности о цунами (DART), управляемой Национальным центром буев данных Национального управления океанических и атмосферных исследований.

Новая научная статья называется "Оптическое поляризационное сейсмическое и волновое зондирование воды на трансокеанских кабелях."

ИСТОЧНИК