Na stole Shan Dou stojí tři elegantní věže pevných disků. Vyplněné za pár měsíců obsahují asi 500 terabajtů seismických dat. Je to neuvěřitelně velké množství dat, které lze sbírat a zpracovávat - o něco více, než je v současné době v národním úložišti seismických dat, jehož archiv se datuje od roku 1970.
Odkud pocházejí všechny tyto informace? Odpověď leží pod nohama: optická vlákna.
Dou je postdoktorandským výzkumníkem v Lawrence Berkeley National Laboratory, který pracuje na tom, aby tisíce kilometrů optických kabelů, které procházejí po celém světě, použilo v povědomí o geohazardech - monitorování sesuvů půdy, poklesů permafrostu, jímek a dokonce i změn vstřikovaného oxidu uhličitého. Ale v nové studii, založené na Douově zakladatelské práci a zveřejněné minulý měsíc v časopise Geophysical Research Letters, se vědci zaměřili na potenciál a všestrannost vláken při detekci jednoho konkrétního nebezpečí: zemětřesení.
K detekci malých chvění v zemi vědci běžně používají citlivé nástroje nazývané seismometry. Každá z těchto jednotek však může být nákladná na instalaci a obtížně udržovatelná. A není vždy možné je použít, vysvětluje Nate Lindsey, doktorandka na University of California, Berkeley's Seismological Lab a hlavní autor nové studie. "Jsou oblasti, kde by mohlo být důležité umístit seismometr - přemýšlím na moři, přemýšlím o městských oblastech - kde je to ... obtížné z logistického hlediska az bezpečnostního hlediska, " říká.
Nate Lindsey ořízne kabel na Richmond Field Station (zdvořilost Jonathan Ajo-Franklin) Tam přicházejí optická vlákna - a hory dat. Tisíce linií optických vláken prochází naší zemí, dokonce sahající až do oceánů. Takže pokud vědci dokážou tento systém využít k monitorování zemětřesení, nabízí bezprecedentní množství informací, říká Dou, která pracovala s Lindsey v UC Berkeley při dokončování doktorského studia.
Myšlenka je celkem jednoduchá. Mnoho společností z optických vláken instaluje více optických kabelů, než potřebují, což vede k systému tzv. „Temných vláken“ - vláken sdružených v podzemních potrubích -, která by mohla být použita pro alternativní účely, jako je snímání zemětřesení. Každá z těchto linií optických vláken je však nedokonalá. Když vyzařujete světlo po jednotlivých vláknech optických vláken, tyto nedokonalosti ve struktuře odrazí zpět část světla. Vědci mohou na jeden konec linky umístit tzv. Laserový interferometr, aby mohli posílat a měřit změny v těchto vrácených kluzácích, rozlišovat drobné komprese nebo prodloužení kabelů v důsledku vibrací na zemi.
"Každý metr optického vlákna v naší síti funguje jako senzor a jeho instalace stojí méně než dolar, " říká tisková zpráva Biondo Biondi, geofyzik ve Stanfordu a autor nového papíru. "Nikdy nebudete schopni vytvořit síť pomocí konvenčních seismometrů s takovým pokrytím, hustotou a cenou."
„To je ta krása, “ vysvětluje Dou, „nemusíme dělat nic zvláštního, jen si koupte něco, co je již široce dostupné pro telekomunikace.“
Ale zjistit, jak přesně použít tato vlákna pro detekci zemětřesení, vyžaduje trochu více práce. Jednou velkou neznámou je citlivost. Toto použití vláknové optiky pro měření vibrací v zemi vyplynulo z ropného a plynárenského průmyslu, který používal vedení ke sledování potrubí a vrtů - tím, že dělal věci jako naslouchání rachotům přibližujících se vozidel. Pro tyto účely je však optická vlákna obvykle „spřažená“ nebo cementovaná v zemi, což má za následek účinnější přenos zemských vrhu a chvění na vlákna.
"Lidé nevěřili, že by to fungovalo, " říká Eileen Martin, postgraduální student v Biondiho laboratoři a další autor na papíře. "Vždy předpokládali, že nevázané optické vlákno by generovalo příliš mnoho šumu signálu, než aby bylo užitečné." Ale počáteční testy prováděné jako spolupráce mezi Stanfordem, UC Berkeley a Berkeley National Lab jsou slibné.
Vědci UC Berkeley pracovali na sledování podpovrchové oblasti pomocí optických vláken po dobu pěti let. Zaznamenávali okolní zvuky, jako jsou projížďky aut s vlákny, aby studovali změny důležitých vlastností, jako je například vodní hladina. (V září tým publikoval tuto práci ve spolupráci s vědci ve Výzkumné a inženýrské laboratoři americké armády ve studených regionech na Aljašce a na Stanfordské univerzitě v časopise Scientific Reports . ) Pro novou studii potenciálu optických vláken pro monitorování zemětřesení vědci porovnali pozorování při zemětřesení pomocí tří různých optických polí, včetně vedení z optických vláken v blízkosti Fairbanks na Aljašce, pohřbených linií ve tvaru L v Richmondu v Kalifornii a smyčky číslo 8 instalované ve stávajícím telekomunikačním kanálu vedeném pod stanfordským kampusem.
Jonathan Ajo-Franklin (vlevo) instaluje experimentální testovací pole s optickými vlákny na Richmond Field Station. (Se svolením Jonathan Ajo-Franklin) Tým zaznamenal řadu událostí ve všech třech systémech. Jen ve Stanfordově smyčce vědci katalogizovali od začátku sběru dat v září 2016 více než 800 členů sborů a po průchodu událostí vybrali signály v datech. „Vidíme je z Mexika, z Itálie, z Oklahomy ... a také z maličkých malých na kampusu Stanford, “ říká Biondi.
Mapa ukazuje umístění 3-milové, číslicové smyčky optických vláken instalovaných pod stanfordským kampusem jako součást seismické observatoře s optickými vlákny. (Stamen Design a Victoria and Albert Museum) Celkově jsou výsledky povzbudivé. Jak říká Biondi, „potenciálně jsou všechny kusy“, ale k uvedení systému do činnosti je třeba ještě více práce.
V současné době testuje Lindsey a jeho tým schopnosti optických vláken v 13 mil vzdálených temných vláknech v Sacramento v Kalifornii, které vlastní společnost Level 3 Communications, kterou nedávno koupila společnost CenturyLink. Srovnávají svůj měřený signál s tradičními seismometry.
„Srovnání je dobré, “ říká Lindsey. "Je třeba provést mnohem více výzkumu, abychom pochopili a objasnili výhody a nevýhody snímání z optických vláken. V senzoru z optických vláken je však signál, který je nad úrovní šumu a je to užitečné." Připravují rukopis k tomuto projektu k odeslání k publikování v recenzovaném časopise příští měsíc.
Citlivost stále vyvolává obavy z rozsáhlé aplikace snímání zemětřesení optickými vlákny. „V současné době má vlákno tendenci mít nižší citlivost než běžný seismometr, “ říká Dou. Ostatní kolegové, poznamenává, v současné době zkoumají způsoby, jak zlepšit schopnosti snímání z optických vláken. Existuje také mnoho neznámých informací o podmínkách instalace stávajících telekomunikačních sítí. Malé vychytávky, jako je počet kabelů z optických vláken v potrubí, by mohly ovlivnit detekci a tím schopnost vlákna přenášet přesné informace o zemětřeseních.
Stejně tak důležitá je potřeba vyvinout metody pro zpracování a analýzu tak velkého množství dat v reálném čase. „Je to skvělé hřiště pro data, se kterými je možné pracovat, “ říká Lindsey. "Ale těším se na den, kdy to nebere studentům kufry pevných disků k vyřešení tohoto druhu problému."
Pro Clay Kirkendalla, výzkumníka námořnictva, který pracoval s optickými senzory za posledních 20 let, náklady zůstávají problémem nového systému. „Určitě už vlákna existují a to je velká část nákladů, “ říká Kirkendall, který nebyl součástí studie. Stále však potřebujete zařízení, které odrazí světlo od linií a změří zpětné signály - a skimping v tomto aspektu systému by mohl obětovat citlivost, říká. Není jasné, kolik kvalitních laserových dotazovačů bude v tuto chvíli stát, ale Biondi doufá, že s postupující technologií se náklady na tyto systémy sníží.
Pokud vědci dokážou tyto zlomy zjistit, mohla by optická vlákna nabídnout řešení mnoha výzev při monitorování zemětřesení. Tato technologie by mohla být zvláště užitečná při zlepšování systémů, které varují komunity blízkých zemětřesení, aby jim poskytly jen zlomek času navíc na přípravu na náraz. Pozitivní dopady a selhání takových sítí byly zdůrazněny začátkem tohoto roku v sérii otřesů v Mexiku.
Seismická observatoř z optických vláken úspěšně detekovala zemětřesení o velikosti 8, 2 stupně, které 8. září 2017 zasáhlo centrální Mexiko. (Siyuan Yuan) Mexický systém seismických výstrah, neboli SASMEX, je první systém včasného varování, který veřejnost upozorní na probíhající zemětřesení. Síť seismometrů, nástroj tradičně používaný k monitorování zemětřesení, kropenatých sekcích země, sledování třesů. Jakmile tato síť zaregistruje něco dostatečně velkého pro případné znepokojení, varování zhasne, což může poskytnout přicházející trhnutí kdekoli od sekund po celou minutu upozornění.
Lindsey zdůrazňuje, že myšlenkou není nahradit stávající systémy - „v nejlepším případě [optická vlákna] nemusí být tak dobrá jako nejlepší seismometr, “ poznamenává - ale spíše je vylepšit. „Vidíme seismologii z optických vláken jako skvělý způsob, jak doplnit techniky včasného varování při zemětřesení, které se nyní staví kolem planety, “ říká.
Přestože je toho ještě mnohem více, aby se to stalo, týmy výzkumných pracovníků a mnoho univerzit jsou na tom. „Je to skutečně kolektivně větší úsilí, “ říká Dou s tím, že tým v CalTech pracuje na podobných projektech z tmavého vlákna.
„Je to rychle se rozvíjející pole a my jsme prostě šťastní, že jsme na průkopnické pozici, “ říká.
