Tre pæne tårne med harddiske står på Shan Dou's skrivebord. Udfyldt på kun få måneder indeholder de omkring 500 terabyte seismiske data. Det er en forbløffende massiv mængde data, der skal indsamles og behandles - lidt mere end det beløb, der i øjeblikket opbevares i det nationale oplagringssted for seismiske data, der har et arkiv tilbage til 1970.
Hvor strømmer alle disse oplysninger ind fra? Svaret ligger under dine fødder: fiberoptik.
Dou er en postdoktorisk forsker ved Lawrence Berkeley National Laboratory, der arbejder med at placere de tusinder af miles af fiberoptiske kabler, der krydser kloden til brug i geohazard-bevidsthed - overvågning af jordskred, permafrost-neddæmpninger, synkehuller og endda ændringer i indsprøjtet kuldioxid. Men i en ny undersøgelse, der er baseret på Dos grundlæggende arbejde og offentliggjort i sidste måned i tidsskriftet Geophysical Research Letters, var forskere hjemmehørende på fibrenes potentiale og alsidighed for at opdage en særlig fare: jordskælv.
For at opdage de små rystelser i jorden bruger forskere ofte følsomme instrumenter kaldet seismometre. Men hver af disse enheder kan være dyre at installere og vanskelige at vedligeholde. Og de er ikke altid mulige at bruge, forklarer Nate Lindsey, en ph.d.-studerende ved University of California, Berkeleys Seismological Lab og hovedforfatter på den nye undersøgelse. "Der er områder, hvor det kan være vigtigt at placere et seismometer - jeg tænker offshore, jeg tænker byområder - hvor det er ... svært fra et logistisk synspunkt og fra et sikkerhedsmæssigt synspunkt, " siger han.
Nate Lindsey trimmer kabel ved Richmond Field Station (høflighed Jonathan Ajo-Franklin) Det er her fiberoptik - og bjergene med data - kommer ind. Tusinder af fiberoptiske linjer krydse vores land og endda strækker sig ud i verdenshavene. Så hvis forskere kan udnytte dette system til overvågning af jordskælv, tilbyder det en hidtil uset mængde information, siger Dou, der arbejdede med Lindsey ved UC Berkeley, mens hun afsluttede sin ph.d.
Ideen er forholdsvis enkel. Mange fiberoptiske virksomheder installerer flere fiberoptiske kabler, end de har brug for, hvilket resulterer i et system med såkaldte "mørke fibre" - fibre bundtet i underjordiske ledninger - der kan bruges til alternative formål, såsom jordskælvsmåling. Men hver af disse fiberoptiske linjer er ufuldkommen. Når du stråler et lys ned ad de individuelle fiberoptiske tråde, springer disse ufuldkommenheder i strukturen tilbage en brøkdel af lyset. Forskere kan anbringe det, der er kendt som et laserinterferometer i den ene ende af linjen for at sende og måle ændringer i disse returnerede glimmere, kritiske minutkomprimeringer eller forlængelser af kablerne på grund af vibrationer i jorden.
”Hver meter optisk fiber i vores netværk fungerer som en sensor og koster mindre end en dollar at installere, ” siger Biondo Biondi, en geofysiker i Stanford og forfatter af det nye papir, i en pressemeddelelse. "Du vil aldrig være i stand til at oprette et netværk ved hjælp af konventionelle seismometre med den slags dækning, densitet og pris."
"Det er det smukke, " forklarer Dou, "vi behøver ikke at gøre noget specielt, bare købe noget, der allerede er bredt tilgængeligt til telekommunikation."
Men at finde ud af nøjagtigt, hvordan man bruger disse fibre til jordskælvsdetektion kræver lidt mere arbejde. En stor ukendt er følsomhed. Denne brug af fiberoptik til måling af vibrationer i jorden opstod fra olie- og gasindustrien, der brugte linierne til at overvåge rørledninger og brønde - ved at gøre ting som at lytte til rumlen om at nærme køretøjer. Men til disse formål er fiberoptikken normalt "koblet" eller cementeret i jorden, hvilket resulterer i en mere effektiv overførsel af Jordens brumler og ryster til fibrene.
”Folk troede ikke, at dette ville fungere, ” siger Eileen Martin, en kandidatstuderende i Biondis laboratorium og en anden forfatter på papiret. ”De antog altid, at en ikke-tilkoblet optisk fiber ville generere for meget signalstøj til at være nyttig.” Men de første test, der blev udført som et samarbejde mellem Stanford, UC Berkeley og Berkeley National Lab, er lovende.
UC Berkeley-forskerne har arbejdet med at bruge fiberoptik til at overvåge undergrunden i fem år og registrere omgivelseslyde som at passere biler med fibrene for at studere ændringerne i vigtige funktioner, såsom vandtabellen. (I september offentliggjorde teamet dette arbejde i samarbejde med forskere ved US Army Cold Regions Research & Engineering Laboratory i Alaska og Stanford University i tidsskriftet Scientific Reports . ) Til den nye undersøgelse af fiberoptisk potentiale til jordskælvsmontering sammenlignede forskerne jordskælvobservationer ved hjælp af tre forskellige fiberoptiske arrays, herunder begravede fiberoptiske linjer nær Fairbanks, Alaska, begravet L-formede linjer i Richmond, Californien, og en figur-8-sløjfe installeret i en eksisterende telekommunikationsrørledning, der kører under Stanfords campus.
Jonathan Ajo-Franklin (til venstre) installerer en eksperimentel fiberoptisk testgruppe på Richmond Field Station. (Høflighed Jonathan Ajo-Franklin) Holdet har registreret en række begivenheder i alle tre systemer. I Stanford-sløjfen alene har forskere katalogiseret mere end 800 fortærmelser siden dataindsamlingen begyndte i september 2016 og pluk signalerne ud i dataene efter begivenhederne er gået. "Vi kan se dem fra Mexico, fra Italien, fra Oklahoma ... såvel som små små på Stanford-campus, " siger Biondi.
Kort viser placeringen af en 3-mile, figur 8-løkke af optiske fibre installeret under Stanford-campus som en del af det fiberoptiske seismiske observatorium. (Stamen Design og Victoria and Albert Museum) Generelt er resultaterne opmuntrende. Som Biondi siger, "potentielt er alle brikkerne der, " men der skal ske mere arbejde for at sætte systemet i gang.
I øjeblikket tester Lindsey og hans team mulighederne for fiberoptik i 13 mil mørk fiber i Sacramento, Californien, der ejes af virksomheden Level 3 Communications, som for nylig blev købt af CenturyLink. De sammenligner deres målte signal med traditionelle seismometre.
"Sammenligningen er god, " siger Lindsey. "Der er meget mere forskning, der skal gøres for at forstå og tydeliggøre fordele og ulemper ved fiberoptisk sensing. Men der er signal i den fiberoptiske sensor, der er over støjniveauet, og det er nyttigt." De forbereder et manuskript til dette projekt, der skal forelægges til offentliggørelse i en peer-reviewet tidsskrift næste måned.
Følsomhed er stadig bekymrende for udbredt anvendelse af fiberoptisk jordskælvsmåling. "I øjeblikket har fiber en tendens til at have en lavere følsomhed end konventionelt seismometer, " siger Dou. Andre kolleger, bemærker hun, undersøger i øjeblikket måder til at forbedre de fiberoptiske sanseregenskaber. Der er også en masse ukendte om installationsbetingelserne for eksisterende telenet. Små justeringer, såsom antallet af fiberoptiske kabler i en ledning, kunne påvirke detektering og dermed fiberens evne til at videregive nøjagtige oplysninger om jordskælv.
Lige så vigtigt er behovet for at udvikle metoder til at behandle og analysere så store mængder data i realtid. "Det er en fantastisk legeplads med data at arbejde med, " siger Lindsey. "Men jeg ser frem til den dag, hvor det ikke tager de studerendes kufferter med harddiske at løse denne form for problem."
For Clay Kirkendall, en forsker med marinen, der har arbejdet med fiberoptiske sensorer i de sidste 20 år, er omkostninger stadig et problem med det nye system. "Bestemt, fibrene er allerede der, og det er en stor del af omkostningerne, " siger Kirkendall, som ikke var en del af undersøgelsen. Men du har stadig brug for en enhed til at sprænge lyset ned ad linjerne og måle de returnerende signaler - og at skimpe på dette aspekt af systemet kan ofre følsomhed, siger han. Det er uklart, hvor meget laserundersøgere af høj kvalitet vil koste i øjeblikket, men Biondi håber, at når teknologien skrider frem, vil omkostningerne til disse systemer falde.
Hvis forskerne kan finde ud af disse kninks, kunne fiberoptik tilbyde en løsning på de mange udfordringer ved jordskælvsmonitoring. Denne teknik kan være særdeles nyttig til forbedring af systemer, der advarer samfund om jordskælv i nærheden for at give dem bare en brøkdel af ekstra tid til at forberede sig på rykket. De positive virkninger - og fiaskoer - af sådanne netværk blev understreget tidligere i år i Mexicos række af jordskælv.
Det fiberoptiske seismiske observatorium opdagede med succes det jordskælv, der var 8, 2, der ramte det centrale Mexico den 8. september 2017. (Siyuan Yuan) Det mexicanske seismiske alarmsystem, eller SASMEX, er det første system til tidlig varsling, der underretter offentligheden om afventede jordskælv. Et netværk af seismometre, det instrument, der traditionelt bruges til at overvåge jordskælv, landets flådeafsnit, overvågning for rysten. Så snart dette netværk registrerer noget stort nok til potentiel bekymring, slukkes advarslen, som kan give overalt fra sekunder til et helt minuts varsel om den indkommende støt.
Lindsey understreger, at ideen ikke er at erstatte eksisterende systemer - "på sit bedste [fiberoptik] er måske ikke så god som det bedste seismometer, " bemærker han - men snarere at forbedre dem. "Vi ser fiberoptisk seismologi som en god måde at supplere jordskælvs tidlige advarselsteknikker, som er opbygget nu rundt om planeten, " siger han.
Selvom der stadig er meget mere arbejde at gøre for at få dette til, er forskerteam og mange universiteter på sagen. "Dette er virkelig kollektivt en større bestræbelse, " siger Dou og bemærker, at et team hos CalTech arbejder på lignende mørke fiberprojekter.
"Det er et felt, der hurtigt udvikler sig, og vi er bare heldige som en pionerposition, " siger hun.
