На столе у Шань Доу стоят три аккуратные башни с жесткими дисками. Заполненные всего за несколько месяцев, они содержат около 500 терабайт сейсмических данных. Это ошеломляюще огромный объем данных для сбора и обработки - чуть больше, чем тот объем, который в настоящее время хранится в национальном хранилище сейсмических данных, архив которого датируется 1970 годом.
Откуда вся эта информация? Ответ лежит под вашими ногами: волоконная оптика.
Доу работает научным сотрудником в Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли, который работает над тем, чтобы проложить тысячи миль волоконно-оптических кабелей, проходящих по всему земному шару, для обеспечения осведомленности о геологических опасностях - для мониторинга оползней, спадов вечной мерзлоты, провалов и даже изменений в закачанном углекислом газе. Но в новом исследовании, основанном на основополагающей работе Доу и опубликованном в прошлом месяце в журнале Geophysical Research Letters, исследователи обратили внимание на потенциал и универсальность волокон для обнаружения одной конкретной опасности: землетрясений.
Чтобы обнаружить крошечные подземные толчки, исследователи обычно используют чувствительные инструменты, называемые сейсмометрами. Но каждый из этих блоков может быть дорогим в установке и сложным в обслуживании. И их не всегда возможно использовать, объясняет Нейт Линдси, аспирант из Калифорнийского университета, Сейсмологической лаборатории Беркли и ведущий автор нового исследования. «Есть районы, где может быть важно установить сейсмометр - я думаю, что вдали от моря, я думаю о городских районах - где это ... сложно с точки зрения логистики и с точки зрения безопасности», - говорит он.
Нейт Линдси урезает кабель на Ричмондской полевой станции (Любезность Джонатан Айо-Франклин) Вот здесь и вступают волоконная оптика и множество данных. Тысячи волоконно-оптических линий пересекают нашу страну, даже простираясь в океаны. Поэтому, если исследователи смогут использовать эту систему для мониторинга землетрясений, она предлагает беспрецедентный объем информации, говорит Доу, которая работала с Линдси в Калифорнийском университете в Беркли, когда заканчивала свою докторскую диссертацию.
Идея довольно проста. Многие оптоволоконные компании устанавливают больше волоконно-оптических кабелей, чем им необходимо, в результате чего получается система так называемых «темных волокон» - волокон, связанных в подземных каналах, - которые могут использоваться для альтернативных целей, таких как определение землетрясений. Но каждая из этих волоконно-оптических линий несовершенна. Когда вы пропускаете свет по отдельным волоконно-оптическим прядям, эти недостатки в структуре отражают часть света. Исследователи могут прикрепить так называемый лазерный интерферометр на одном конце линии, чтобы посылать и измерять изменения в этих возвращаемых проблесках, различая незначительные сжатия или удлинения кабелей из-за вибрации земли.
«Каждый метр оптического волокна в нашей сети действует как датчик и стоит меньше доллара на установку», - говорится в пресс-релизе Биондо Бионди, геофизика из Стэнфорда и автора новой статьи. «Вы никогда не сможете создать сеть, используя обычные сейсмометры с таким покрытием, плотностью и ценой».
«В этом вся прелесть, - объясняет Доу, - нам не нужно делать ничего особенного, просто покупайте то, что уже широко доступно для телекоммуникаций».
Но выяснение того, как именно использовать эти волокна для обнаружения землетрясений, требует немного больше работы. Одно большое неизвестное - чувствительность. Такое использование волоконной оптики для измерения вибраций в грунте появилось в нефтяной и газовой промышленности, которая использовала линии для мониторинга трубопроводов и скважин, например, прислушиваясь к грохоту приближающихся транспортных средств. Но для этих целей волоконная оптика обычно «соединена» или зацементирована в земле, что приводит к более эффективной передаче земных ворчаний и сотрясений к волокнам.
«Люди не верили, что это сработает», - говорит Эйлин Мартин, аспирант в лаборатории Бионди и другой автор статьи. «Они всегда предполагали, что несвязанное оптическое волокно будет генерировать слишком много шумового сигнала, чтобы быть полезным». Но первоначальные испытания, проведенные в сотрудничестве между Стэнфордом, Калифорнийским университетом в Беркли и Национальной лабораторией Беркли, являются многообещающими.
Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли в течение пяти лет работали над использованием волоконной оптики для наблюдения за недрами, регистрируя окружающие шумы, такие как проезжающие мимо машины с волокнами, для изучения изменений важных функций, таких как уровень грунтовых вод. (В сентябре команда опубликовала эту работу в сотрудничестве с учеными из Исследовательско-технической лаборатории холодных регионов США на Аляске и Стэнфордского университета в журнале Scientific Reports . ) Для нового исследования волоконно-оптического потенциала для мониторинга землетрясений ученые сравнили наблюдения за землетрясением с использованием трех различных волоконно-оптических массивов, в том числе скрытых волоконно-оптических линий вблизи Фэрбенкса, Аляска, похороненных L-образных линий в Ричмонде, штат Калифорния, и петли в виде цифры 8, установленной в существующем телекоммуникационном канале, проходящем под кампусом Стэнфорда.
Джонатан Айо-Франклин (слева) устанавливает экспериментальную волоконно-оптическую матрицу на Ричмондской полевой станции. (Любезность Джонатан Айо-Франклин) Команда записала ряд событий во всех трех системах. Только в цикле Стэнфорда исследователи каталогизировали более 800 темблеров с момента сбора данных в сентябре 2016 года, выбирая сигналы в данных после прохождения событий. «Мы можем видеть их из Мексики, из Италии, из Оклахомы ... а также крошечных крошек в Стэнфордском городке», - говорит Бионди.
На карте показано расположение 3-мильной петли из оптических волокон в виде цифры 8, установленной под кампусом Стэнфорда в составе волоконно-оптической сейсмической обсерватории. (Дизайн тычинки и Музей Виктории и Альберта) В целом результаты обнадеживают. Как говорит Бионди, «потенциально все части есть», но для того, чтобы привести систему в действие, требуется больше работы.
В настоящее время Линдси и его команда тестируют возможности оптоволокна в 13 милях темного волокна в Сакраменто, штат Калифорния, принадлежащего компании Level 3 Communications, которая недавно была куплена CenturyLink. Они сравнивают свой измеренный сигнал с традиционными сейсмометрами.
«Сравнение хорошее, - говорит Линдси. «Необходимо провести гораздо больше исследований, чтобы понять и прояснить преимущества и недостатки волоконно-оптического зондирования. Но в волоконно-оптическом датчике есть сигнал, который выше уровня шума, и это полезно». Они готовят рукопись по этому проекту, чтобы представить ее для публикации в рецензируемом журнале в следующем месяце.
Чувствительность по-прежнему вызывает обеспокоенность в связи с широким применением волоконно-оптических датчиков землетрясений. «На данный момент волокно имеет меньшую чувствительность, чем обычный сейсмометр», - говорит Доу. Она отмечает, что другие коллеги в настоящее время изучают пути улучшения возможностей волоконно-оптического зондирования. Также много неизвестно об условиях установки существующих телекоммуникационных сетей. Небольшие изменения, такие как количество волоконно-оптических кабелей в кабелепроводе, могут повлиять на обнаружение и, следовательно, способность волокна передавать точную информацию о землетрясениях.
Не менее важна необходимость разработки методов обработки и анализа таких больших объемов данных в режиме реального времени. «Это отличная площадка для работы с данными», - говорит Линдси. «Но я с нетерпением жду того дня, когда студентам не понадобятся чемоданы с жесткими дисками для решения этой проблемы».
Для Клэя Киркендалла, исследователя из ВМФ, который работал с волоконно-оптическими датчиками в течение последних 20 лет, стоимость новой системы остается проблемой. «Конечно, волокна уже есть, и это большая часть затрат», - говорит Киркендалл, который не участвовал в исследовании. Но вам все еще нужно устройство для отражения света по линиям и измерения возвращаемых сигналов - и экономия на этом аспекте системы может принести в жертву чувствительность, говорит он. Неясно, сколько будут стоить высококачественные лазерные запросчики в настоящее время, но Бионди надеется, что по мере развития технологий стоимость этих систем будет снижаться.
Если исследователи смогут решить эти проблемы, волоконная оптика может предложить решение многих проблем мониторинга землетрясений. Эта технология может быть особенно полезна в улучшении систем, которые предупреждают сообщества о близлежащих землетрясениях, чтобы дать им лишь небольшую часть дополнительного времени для подготовки к толчку. Положительные воздействия и недостатки таких сетей были подчеркнуты ранее в этом году в серии землетрясений в Мексике.
Волоконно-оптическая сейсмическая обсерватория успешно обнаружила землетрясение силой 8, 2 балла, которое произошло в центральной части Мексики 8 сентября 2017 года. (Сиюань Юань) Мексиканская система сейсмического оповещения, или SASMEX, является первой системой раннего оповещения, которая уведомляет общественность о предстоящих землетрясениях. Сеть сейсмометров, инструмент, традиционно используемый для мониторинга землетрясений, спекл-участков страны, мониторинга подземных толчков. Как только эта сеть регистрирует что-то достаточно большое для потенциального беспокойства, выдается предупреждение, которое может предоставить от нескольких секунд до полной минуты уведомления о входящем толчке.
Линдси подчеркивает, что идея состоит не в том, чтобы заменить существующие системы - «в лучшем случае [волоконная оптика] может быть не так хороша, как лучший сейсмометр», - отмечает он, - а в том, чтобы улучшить их. «Мы рассматриваем волоконно-оптическую сейсмологию как отличный способ дополнить методы раннего оповещения о землетрясениях, которые сейчас создаются вокруг планеты», - говорит он.
Хотя предстоит еще много работы, чтобы сделать это, команды исследователей и многие университеты занимаются этим вопросом. «На самом деле это коллективная работа», - говорит Доу, отмечая, что команда CalTech работает над аналогичными проектами из темного волокна.
«Это быстро развивающаяся область, и нам просто повезло, что мы находимся на передовой позиции», - говорит она.
