Три уредне куле тврдог диска стоје на столу Схан Доу. Напуњени за само неколико месеци садрже око 500 терабајта сеизмичких података. То је запањујуће огромна количина података која се прикупља и обрађује - нешто више од количине која се тренутно налази у националном складишту сеизмичких података, које има архиву из 1970. године.
Одакле долазе све ове информације? Одговор се крије испод ваших стопала: оптика влакана.
Доу је постдокторски истраживач из Националне лабораторије Лавренце Беркелеи који ради на постављању хиљада километара оптичких каблова који обилазе Земљу како би се користили у свести о геолошким опасностима - надгледање клизишта, пљускови пермафроста, вртаче и чак промене убризгаваног угљен-диоксида. Но, у новој студији, заснованој на Доуовом утемељитељском раду и објављеној прошлог месеца у часопису Геопхисицал Ресеарцх Леттерс, истраживачи су открили потенцијал и свестраност влакана како би открили једну посебну опасност: земљотреси.
Да би открили сићушне дрхтаве у земљи, истраживачи најчешће користе осетљиве инструменте који се називају сеизмометри. Али свака од ових јединица може бити скупа за инсталацију и тешко је одржавати. А то није увек изведиво за употребу, објашњава Нате Линдсеи, студент доктора наука на Калифорнијском универзитету, Беркелеиева Сеизмолошка лабораторија и водећи аутор нове студије. "Постоје подручја у којима би могло бити важно ставити сеизмометар - мислим на оффсхоре, мислим на урбана подручја - гдје је ... тешко с логистичког становишта и са сигурносног стајалишта", каже он.
Нате Линдсеи урезао је кабл на Фиелд Статион (љубазношћу Јонатхан Ајо-Франклин) Ту долазе оптичка влакна - и планине података. Хиљаде оптичких водова пролазе нашом земљом, чак се протежу у океане. Дакле, ако истраживачи могу да искористе овај систем за праћење земљотреса, он нуди невиђену количину информација, каже Доу, која је радила са Линдсеи у УЦ Беркелеи док је завршавала докторат.
Идеја је прилично једноставна. Многе компаније за оптичка влакна уграђују више оптичких каблова него што им је потребно, што резултира системом такозваних "тамних влакана" - влакана набијених у подземне водове - који би се могли употријебити за алтернативне сврхе, као што је истраживање земљотреса. Али свака од ових оптичких линија није савршена. Када зрачите светлост појединачних оптичких влакана, ове несавршености у структури одбијају део светлости. Истраживачи могу да причвршћују оно што је познато као ласерски интерферометар на једном крају линије како би слали и мерили промене ових враћених бљескова, опажајући минутне компресије или продужења каблова услед вибрација тла.
"Сваки метар оптичких влакана у нашој мрежи делује попут сензора и кошта мање од долара за уградњу", каже се у саопштењу за штампу Биондо Бионди, геофизичар из Станфорда и аутор новог рада. "Никада нећете моћи да створите мрежу користећи конвенционалне сеизмометре са таквом врстом покривања, густине и цене."
„У томе је лепота", објашњава Доу, „не морамо правити ништа посебно, само купити нешто што је већ широко доступно за телекомуникације."
Али проналажење тачно како користити та влакна за откривање земљотреса захтијева мало више посла. Велика непознаница је осетљивост. Ова употреба оптичких влакана за мерење вибрација у земљи појавила се из индустрије нафте и гаса, која је користила линије за надгледање цевовода и бушотина - радећи ствари попут слушања тутњаве приближавања возила. Али у ове сврхе, оптичка влакна се обично „спајају“ или цементирају у земљи, што резултира ефикаснијим преношењем Земљиних мрмљања и тресења на влакна.
„Људи нису веровали да ће ово функционисати“, каже Еилеен Мартин, студентица студије у Бионди лабораторији и још један аутор књиге. „Увек су претпостављали да ће неповезано оптичко влакно створити превише сигналног шума да би било корисно.“ Али почетни тестови спроведени као сарадња између Станфорда, УЦ Беркелеи-а и Беркелеи Натионал Лаб-а обећавају.
Истраживачи УЦ Беркелеи-а раде на употреби оптичких влакана за надгледање подземља већ пет година, снимајући амбијенталне буке попут проласка аутомобила са влакнима како би проучавали промене у важним карактеристикама, као што је водостај. (У септембру је тим објавио овај рад у сарадњи са научницима из америчке војске у истраживању и инжењерској лабораторији хладних региона на Аљасци и Универзитету Станфорд у часопису Сциентифиц Репортс . ) За ново истраживање оптичког потенцијала за праћење земљотреса научници су упоредили посматрања земљотреса помоћу три различита оптичка поља, укључујући покопане оптичке линије у близини Фаирбанкса на Аљасци, закопане линије Л-облика у Рицхмонд-у, Калифорнија, и петљу број-8 инсталирану у постојећем телекомуникацијском каналу који пролази испод Станфордовог кампуса.
Јонатхан Ајо-Франклин (лево) инсталира експериментални оптички оптички низ на пољанској станици Рицхмонд. (Љубазношћу Јонатхан Ајо-Франклин) Тим је забележио низ догађаја у сва три система. Само у петљи на Станфорду истраживачи су каталогизирали више од 800 темплара од када је прикупљање података почело у септембру 2016., одабиром сигнала у подацима након што догађаји прођу. "Можемо их видети из Мексика, Италије, Оклахоме ..., као и ситне сићушне оне на кампусу у Станфорду, " каже Бионди.
Мапа приказује локацију петоструке петље од оптичких влакана на слици 8 уграђене испод кампуса на Станфорду у склопу сеизмичке опсерваторије са оптичким влакнима. (Дизајн стамена и Музеј Викторије и Алберта) Уопштено, резултати су охрабрујући. Као што Бионди каже, "потенцијално су сви комади ту", али потребно је још посла да би се систем покренуо.
Тренутно Линдсеи и његов тим тестирају могућности оптичких влакана у 13 миља тамног влакна у Сацраменту у Калифорнији, у власништву компаније Левел 3 Цоммуницатионс, коју је недавно купио ЦентуриЛинк. Упоређују свој измерени сигнал са традиционалним сеизмометрима.
"Поређење је добро", каже Линдсеи. "Треба да се уради много више истраживања како би се разумеле и разјасниле предности и недостаци оптичког влакна. Али у оптичком сензору постоји сигнал који је изнад нивоа буке, и то је корисно." Они припремају рукопис овог пројекта који ће наредног месеца бити објављен у часопису са рецензијом.
Осетљивост је и даље забрињавајућа због широке примене оптичког земљотресног сензора. "За сада је то случај да влакна имају мању осетљивост од класичног сеизмометра", каже Доу. Остале колеге, напомиње она, тренутно истражују начине на које могу побољшати способности оптичког влакна. Такође је доста непознаница о условима инсталације постојећих телекомуникационих мрежа. Мали подешавања, попут броја оптичких каблова у каналу, могу утицати на детекцију и самим тим на способност влакана да преносе тачне информације о земљотресима.
Једнако је важна и потреба за развијањем метода за обраду и анализу тако великих количина података у реалном времену. "То је сјајно игралиште података с којима се ради", каже Линдсеи. „Али радујем се дану када студентима не буду потребни кофери чврстих дискова да би решили ову врсту проблема.“
За Цлаи Киркендалл, истраживача из морнарице који је радио са оптичким сензорима последњих 20 година, цена остаје проблем са новим системом. "Сигурно су влакна већ тамо и то је велики део трошкова", каже Киркендалл, који није био део студије. Али још увек вам је потребан уређај за одбијање светла низ линије и мерење повратних сигнала - а прескакање овог аспекта система могло би да жртвује осетљивост, каже он. Нејасно је колико ће тренутно коштати висококвалитетни ласерски испитивачи, али Бионди се нада да ће развојем технологије трошкови тих система опадати.
Ако истраживачи могу да развију те сметње, оптичка влакна могла би понудити решење за многе изазове праћења земљотреса. Ова технологија могла би бити посебно корисна у побољшању система који упозоравају заједнице на земљотресима у близини како би им пружили само делић додатног времена за припрему за удар. Позитивни утицаји - и неуспеси - таквих мрежа наглашени су почетком ове године у мексичком низу потреса.
Сеизмичка опсерваторија оптичких влакана успешно је открила земљотрес магнитуде 8, 2 који је 8. септембра 2017. погодио централни Мексико. (Сииуан Иуан) Мексички систем сеизмичких аларма, или САСМЕКС, је први систем раног упозоравања који је обавестио јавност о земљотресима који су у току. Мрежа сеизмометра, инструмента који се традиционално користи за надгледање земљотреса, спектакл делова земље, праћење дрхтавица. Чим ова мрежа региструје нешто довољно велико за потенцијалну забринутост, упозорење ће се угасити, што може пружити било где од секунде до пуне минуте обавештења о долазном налету.
Линдсеи наглашава да идеја није заменити постојеће системе - „у најбољем случају [оптичка влакна] можда не би била добра као најбољи сеизмометар“, примећује он - већ их побољшати. "Сеизмологију оптичких влакана видимо као одличан начин за надопуну техника раног упозоравања у земљотресу, које се сада граде широм планете", каже он.
Иако има још много посла да се то догоди, тимови истраживача и многи универзитети су на томе. "Ово је заиста колективно веће настојање", каже Доу, напомињући да тим из ЦалТецх-а ради на сличним пројектима од тамних влакана.
"То је поље које се брзо развија и имамо среће да смо на пионирској позицији", каже она.
