Három tiszta merevlemez-torony áll Shan Dou íróasztalán. Néhány hónap alatt kitöltve körülbelül 500 terabyte szeizmikus adatot tartalmaznak. Gondolkodóan hatalmas mennyiségű adat gyűjtése és feldolgozása - valamivel meghaladja azt a mennyiséget, amelyet jelenleg a szeizmikus adatok nemzeti tárházában tárolnak, amelynek archívuma 1970-ből származik.
Honnan érkezik ez az összes információ? A válasz a lábad alatt található: száloptika.
Dou egy posztdoktori kutató a Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratóriumban, amelynek célja a földön áthaladó százezer mérföld hosszú száloptikai kábelek felhasználása a földrajzi veszély veszélyeinek tudatosítására - a földcsuszamlások, az állandó fagyos csapok, a lyukak és még az injektált szén-dioxid változásainak megfigyelésére. De egy új tanulmányban, amely a Dou alapvető munkáján alapult, és amelyet a múlt hónapban a Geophysical Research Letters folyóiratban publikáltak, a kutatók bemélyítették a szálak potenciálját és sokoldalúságát, hogy felismerjék egy adott veszélyt: földrengéseket.
A talajban rejlő apró remegések észlelésére a kutatók általában érzékeny eszközöket használnak, úgynevezett szeizmométereket. De ezeknek az egységeknek a telepítése költséges lehet, és karbantartható is. És ezeket nem mindig lehet felhasználni - magyarázza Nate Lindsey, a kaliforniai egyetem, a Berkeley Szeizmológiai laboratóriumának doktori hallgatója és az új tanulmány vezető szerzője. "Vannak olyan területek, ahol fontos lehet a szeizmométer felállítása - tengeren gondolok, gondolok városi területeken - ahol logisztikai és biztonsági szempontból nehéz ..." - mondja.
Nate Lindsey levágja a kábelt a Richmond Field Station-en (jóvoltából Jonathan Ajo-Franklin) Itt érkezik a száloptika - és az adathegyek -. Százeres száloptikai vonal halad át országunkban, még az óceánokba is kiterjed. Tehát ha a kutatók felhasználhatják ezt a rendszert a földrengés megfigyelésére, akkor példátlan mennyiségű információval szolgálnak, mondja Dou, aki doktori állásának befejezésekor a Lindsey-vel dolgozott az UC Berkeley-ben.
Az ötlet meglehetősen egyszerű. Számos száloptikai társaság több száloptikai kábelt telepít, mint amennyire szükségük van, így létrejön az úgynevezett "sötét szál" rendszer - a száraz vezetékekbe csomagolt szálak -, amelyeket alternatív célokra, például a földrengés érzékelésére lehet felhasználni. De ezek az optikai vezetékek mindegyike hiányos. Amikor az egyes száloptikai szálakat fénnyel sugározzák, ezek a szerkezet hiányosságai visszatükrözik a fény egy részét. A kutatók a vonal egyik végére felhelyezhetik az úgynevezett lézer-interferométert, hogy elküldjék és megmérjék a visszatükrözött csillogások változásait, észlelve a kábeleknek a föld rezgései által okozott perc kompresszióit vagy hosszabbítását.
"Hálózatunk minden optikai szálának érzékelőként viselkedik, és kevesebb, mint egy dollárba kerül a telepítése" - nyilatkozta Biondo Biondi, a Stanfordi geofizikus és az új cikk szerzője. "Soha nem lesz képes hálózatot létrehozni olyan hagyományos szeizométerekkel, amelyek ilyen lefedettséget, sűrűséget és árat tartalmaznak."
"Ez a szépsége" - magyarázza Dou. "Nem kell semmit külön tennünk, csak vásárolnunk kell valamit, ami már széles körben elérhető a távközlés számára."
De ahhoz, hogy pontosan kitaláljuk, hogyan lehet ezeket a szálakat felhasználni a földrengés észlelésére, egy kicsit több munka szükséges. Az egyik nagy ismeretlen az érzékenység. A száloptika e földön történő rezgések mérésére való felhasználása az olaj- és földgáziparban merült fel, amely a vonalakat a csővezetékek és a kutak ellenőrzésére használta - olyan dolgokkal, mint például a járművek közeledésének zaját hallgatta. De ezekre a célokra a száloptikát általában „összekapcsolják” vagy cementálják a talajban, ami a Föld morgásainak és remegésének hatékonyabb átvitelét eredményezi a szálak számára.
"Az emberek nem hitték, hogy ez működni fog" - mondja Eileen Martin, a Biondi laboratóriumi végzős hallgatója és egy másik szerző a papíron. „Mindig azt hitték, hogy a leválasztott optikai szál túl sok jelzajt generál ahhoz, hogy hasznos legyen.” A Stanford, az UC Berkeley és a Berkeley National Lab együttműködésével elvégzett kezdeti tesztek azonban ígéretesek.
Az UC Berkeley kutatói öt éven keresztül száloptikával dolgoznak a felszín megfigyelésén, rögzítve a környezeti zajokat, mint például az autók haladása a szálakkal, hogy megvizsgálják a fontos tulajdonságok, például a víztábla változásait. (Szeptemberben a csoport közzétette ezt a munkát az alaszkai amerikai hadsereg hideg régiók kutatási és mérnöki laboratóriumának és a Stanfordi Egyetem tudósainak közreműködésével, a Science Reports folyóiratban . ) A száloptikai potenciál új elemzéséhez a földrengés megfigyelésére a tudósok összehasonlították földrengésmegfigyelések három különféle száloptikai tömb felhasználásával, ideértve az eltemetett száloptikai vonalakat az alaszkai Fairbanks közelében, az L alakú vonalakat eltemetve Richmondban, Kaliforniában, és a 8. ábra szerinti hurkot egy meglévő távközlési csatornába telepítve, a Stanford campusán.
Jonathan Ajo-Franklin (balra) egy kísérleti száloptikai tesztrendszert telepít a Richmond Field Station-ra. (Jóvoltából Jonathan Ajo-Franklin) A csapat számos eseményt rögzített mindhárom rendszerben. Egyedül a Stanford hurokban a kutatók az adatgyűjtés 2016 szeptemberében megkezdése óta több mint 800 temblort katalogizáltak, és az események eltelte után az adatokban kiválasztják a jeleket. "Megláthatjuk őket Mexikóból, Olaszországból, Oklahomából ... valamint apró aprókat is a Stanford-egyetemen." - mondja Biondi.
A térkép egy 3 mérföldes, 8. ábra szerinti optikai szálak hurkának helyét mutatja be, amely a Stanford campus alá van felszerelve, a szeizmikus száloptikai obszervatórium részeként. (Stamen Design és a Victoria és Albert Múzeum) Összességében az eredmények biztatóak. Mint Biondi mondja: "potenciálisan az összes darab ott van", de még több munkára van szükség a rendszer működtetéséhez.
Jelenleg Lindsey és csapata a száloptika képességeit kipróbálja a kaliforniai Sacramentóban lévő 13 mérföld távolságban lévő sötét szálból, amelyet a 3. szintű kommunikációs cég tulajdonában tartanak, amelyet a közelmúltban a CenturyLink vásárolt meg. Összehasonlítják mért jeleiket a hagyományos szeizmométerekkel.
"Az összehasonlítás jó" - mondja Lindsey. "Sokkal több kutatást kell elvégezni a száloptikai érzékelés előnyeinek és hátrányainak megértése és tisztázása érdekében. De az optikai érzékelőben van olyan jel, amely meghaladja a zajszintet, és ez hasznos." Egy kéziratot készítenek erről a projektről, amelyet a következő hónapban közzétesznek egy recenzált folyóiratban.
Az érzékenység továbbra is aggodalomra ad okot az üvegszálas földrengés érzékelésének széles körű alkalmazása miatt. "Jelenleg a szál általában alacsonyabb érzékenységű, mint a hagyományos szeizmométer" - mondja Dou. Egyéb kollégák, megjegyzi, jelenleg vizsgálják a száloptikai érzékelési képességek javításának lehetőségeit. Sok ismeretlen is a meglévő telekommunikációs hálózatok telepítési feltételeiről. A kis csípések, például a száloptikai kábelek száma a vezetékben, befolyásolhatják a felismerést és ezáltal a szál azon képességét, hogy pontos információkat továbbítson a földrengésekről.
Ugyanilyen fontos a módszerek kifejlesztésének szükségessége ilyen nagy mennyiségű adat valós időben történő feldolgozására és elemzésére. "Ez egy nagyszerű játszótér az adatok kezelésére" - mondja Lindsey. "De nagyon várom azt a napot, amikor az ilyen típusú probléma megoldásához nem kell a hallgatók számára a merevlemez-bőröndök."
Clay Kirkendall, a haditengerészet kutatója számára, aki az elmúlt 20 évben száloptikai érzékelőkkel dolgozott, a költségek továbbra is aggodalomra adnak okot az új rendszerrel kapcsolatban. "Természetesen a szálak már ott vannak, és ez a költségek nagy részét képezi" - mondja Kirkendall, aki nem vett részt a tanulmányban. De még mindig szükség van egy eszközre, amely visszaverheti a vonalakat és mérheti a visszatérő jeleket - és a rendszer ezen aspektusára való áttérés áldozatot áldozhat fel - mondja. Nem egyértelmű, hogy a jó minőségű lézer-lekérdezők mennyibe kerülnek a pillanatban, de Biondi reméli, hogy a technológia fejlődésével ezeknek a rendszereknek a költségei csökkenni fognak.
Ha a kutatók ki tudják dolgozni ezeket a rokonokat, az száloptika megoldást kínálhat a földrengés figyelésének számos kihívására. Ez a technika különösen hasznos lehet olyan rendszerek fejlesztésében, amelyek figyelmeztetik a közösségeket a közeli földrengésekre, hogy csak töredék extra idő álljon rendelkezésükre a rohamra való felkészüléshez. Az ilyen hálózatok pozitív hatásait és kudarcait az év elején hangsúlyozták Mexikóban arengések sorozata.
A szálas optikai szeizmikus obszervatórium sikeresen észlelte a Mexikó központját 2017. szeptember 8-án sújtó 8, 2-es földrengést (Siyuan Yuan) A mexikói szeizmikus riasztórendszer, vagy a SASMEX az első korai figyelmeztető rendszer, amely értesíti a nyilvánosságot a folyamatban lévő földrengésekről. A szeizmométerek hálózata, amelyet a földrengések, az ország foltok szakaszai és a remegések megfigyelésére hagyományosan használtak. Amint ez a hálózat valami elég nagyot regisztrál a lehetséges aggodalomra, a figyelmeztetés kialszik, amely másodpercektől egész percig képes értesíteni a bejövő rázkódást.
Lindsey hangsúlyozza, hogy az a gondolat, hogy nem helyettesítik a meglévő rendszereket - "a legjobb esetben [száloptika] talán nem olyan jó, mint a legjobb szeizmométer" - jegyzi meg -, hanem inkább az, hogy ezeket továbbfejlesszék. "A száloptikai szeizmológiát nagyszerű módszernek tekintjük a földrengés korai előrejelző technikáinak kiegészítésére, amelyeket most építenek a bolygó körül" - mondja.
Bár még sok tennivalónk van ennek megvalósításához, kutatók és sok egyetem dolgoznak ebben az ügyben. "Ez valójában együttesen nagyobb erőfeszítés" - mondja Dou, megjegyezve, hogy a CalTech csapat hasonló sötétszálú projektekkel foglalkozik.
"Ez egy gyorsan fejlődő terület, és egyszerűen szerencsések vagyunk, hogy úttörő pozícióban vagyunk" - mondja.
