captcha image

A password will be e-mailed to you.

Dzięki światłowodom na dnie morskim można błyskawicznie wykrywać trzęsienia ziemi odległe od lądu o tysiące kilometrów i ostrzegać o groźbie tsunami. I to bez żadnej dodatkowej infrastruktury.

Światłowód na morskim dnie. Fot. Koichi Toda / OIST / Flickr (CC BY 2.0)

Na dnie morskim leży grubo ponad milion kilometrów internetowych kabli światłowodowych. Kable te przesyłają dane w postaci impulsów światła przemieszczających się z prędkością ponad 204 tysięcy kilometrów na sekundę. Po drodze światło napotyka przeszkody i zakłócenia, które zniekształcają sygnał, co jest finalnie naprawiane dzięki cyfrowym systemom korygującym.

Jednak to, co dla transmisji danych jest zakłóceniem, może być również niezwykle cenną informacją dla ludzi narażonych na skutki podwodnych trzęsień ziemi. Ostrzeżenie o silnych wstrząsach w pobliżu światłowodu dotrze do wybrzeża w ciągu milisekund, dając mieszkańcom czas na ewakuację przed nadciągającym tsunami, którego prędkość na oceanie sięga nawet 800 km na godzinę. W ten sposób globalna sieć światłowodowa mogłaby odegrać rolę sieci sejsmografów monitorujących morskie dno.

A jest to obszar pod tym względem bardzo zaniedbany, bo obecnie większość sprzętu do wykrywania tsunami znajduje się na lądach, które stanowią zaledwie około 30 proc. powierzchni naszej planety. Z kolei technologie wykorzystywane do tej pory na oceanach są trudne w utrzymaniu i przesyłają sygnały dużo wolniej niż światłowody. Wykorzystanie istniejącej, gotowej już infrastruktury internetowej do wykrywania wstrząsów mogłoby zdecydowanie poprawić tę sytuację.

Kable odczuwają wstrząsy

O wykorzystaniu podmorskiej internetowej sieci światłowodowej do wykrywania wstrząsów sejsmicznych mówi się od kilku lat. To, że jest to w ogóle możliwe, właściwie przypadkiem odkrył w 2016 roku Giuseppe Marra, metrolog z National Physical Laboratory w Teddington w Wielkiej Brytanii, który zajmuje się łączami światłowodowymi, za pomocą których komunikują się zegary atomowe w laboratoriach w całej Europie.

Sieć kabli podmorskich na świecie. Źródło Giuseppe Marra i in., „Ultrastable laser interferometry for earthquake detection with terrestrial and submarine cables”, Science

Naukowiec zdawał sobie sprawę z tego, że wibracje wywołane np. ruchem samochodowym mogą nieznacznie skrócić lub wydłużyć drogę światła z punktu A do B, i uwzględniał to w swoich obliczeniach. Testował akurat połączenie poprzez 79-kilometrowy kabel podziemny biegnący z Teddington do Reading i kiedy przejrzał dane z października 2016 roku, dostrzegł coś więcej niż tylko przeciętne wstrząsy wywołane hałasem. Okazało się, że były to odczuwalne w Wielkiej Brytanii skutki trzęsień ziemi o magnitudzie 5,9 i 6,5, które nawiedziły środkowe Włochy pod koniec tego miesiąca. Marra wydał z siebie coś w rodzaju okrzyku „Eureka!”, kiedy uświadomił sobie, że te zakłócenia wskazują na zupełnie nowy sposób wykrywania trzęsień ziemi. Jego metoda wymagała zainstalowania laserów na każdym końcu światłowodu i dostępu do niewielkiej części jego przepustowości.

W 2019 roku naukowcy z Berkeley Lab przeprowadzili kolejne doświadczenie, które wykazało, że światłowody mogą z powodzeniem odgrywać rolę sejsmografów. Wykorzystali w tym celu technikę o nazwie Distributed Acoustic Sensing (czyli „rozproszone wykrywanie akustyczne”), która zamienia kabel w coś na kształt tysięcy pojedynczych czujników ruchu. Testy prowadzone były na 20-kilometrowym odcinku podwodnej infrastruktury sieciowej należącej do Instytutu Badawczego Akwarium Monterey Bay. Badacze zebrali mnóstwo cennych informacji, włączając w to zarejestrowane trzęsienie ziemi o sile 3,4, które miało miejsce pod lądem. Zlokalizowali nieznane do tej pory uskoki podwodne i opisali wzorce ruchu wody, które również wskazują na aktywność sejsmiczną.

Czuła sieć Google’a

Do tego momentu doświadczenia z wykorzystaniem światłowodów jako sejsmografów prowadzone były na odległości nie większe niż 100 km od brzegu. Przełom nastąpił niedawno. 16 lipca 2020 roku naukowcy pracujący dla Google Global Networking opublikowali artykuł, w którym opisują nową technologię, wykrywającą wstrząsy sejsmiczne i tsunami oddalone nawet o dziesiątki tysięcy kilometrów od brzegu. Opiera się ona na sprzęcie, który jest wykorzystywany w ogromnej większości istniejących na świecie systemów światłowodowych. Google jest obecnie właścicielem największej na świecie sieci kabli sieciowych na dnie morskim, stąd zainteresowanie firmy tym tematem.

Pracujący dla Google’a badacze Valey Kamalov i Mattia Cantono zwrócili uwagę na to, że jedną z właściwości światła, która zmienia się w odpowiedzi na mechaniczne zakłócenia transmisji światłowodowej, jest stan polaryzacji (SOP). Śledzenie tych właśnie zakłóceń pozwala wykryć aktywność sejsmiczną pod morskim dnem.

28 stycznia 2020 roku naukowcy odnotowali wstrząsy o magnitudzie 7,7 na Jamajce za pośrednictwem światłowodu oddalonego aż o 1500 km od tej wyspy. Fala sejsmiczna dotarła do kabla po około pięciu minutach od wstrząsu, a informacja o tym błyskawicznie została przekazana na ląd za pośrednictwem światłowodu. Badacze zarejestrowali w ten sposób również wstrząsy pod Grzbietem Wschodniopacyficznym (2000 km od najbliższego światłowodu) oraz u wybrzeży Chile (30 km od kabla), a ich obserwacje potwierdził dr Zhongwen Zhan, sejsmolog z California Institute of Technology Seismological Laboratory. Co więcej, okazało się, że dane uzyskiwane ze światłowodów pozwalają również na wykrywanie zmian ciśnienia w samym oceanie, co może pomóc w przewidywaniu tsunami.

To dopiero początek testów nowego systemu, ale póki co wygląda on bardzo obiecująco.

Aby stworzyć solidny system monitorowania trzęsień ziemi, naukowcy potrzebują zaawansowanej matematyki i analizy danych, w których zaawansowane systemy obliczeniowe, takie jak Google Cloud, mogą odegrać kluczową rolę. Z czasem naukowcy mogą zdecydować, że jest to zadanie dla uczenia maszynowego, które doskonale radzi sobie z nadawaniem sensu dużym zbiorom danych w sposób wykraczający poza możliwości ludzkiego mózgu

napisali Valey Kamalov i Mattia Cantono na blogu Google Cloud.

Czego u nas szukaliście?

5 1 vote
Article Rating
Subscribe
Powiadom o
guest

Witryna wykorzystuje Akismet, aby ograniczyć spam. Dowiedz się więcej jak przetwarzane są dane komentarzy.

0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments
Nie ma więcej wpisów
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x