Tri uredne kule tvrdog diska stoje na stolu Shan Dou. Ispunjeni za samo nekoliko mjeseci, oni sadrže nekih 500 terabajta seizmičkih podataka. To je nevjerojatno velika količina podataka za prikupljanje i obradu - malo više od količine koja se trenutno nalazi u nacionalnom skladištu seizmičkih podataka, koje ima arhivu iz 1970. godine.
Odakle dolaze sve ove informacije? Odgovor se krije ispod vaših stopala: optika od vlakana.
Dou je postdoktorski istraživač iz Nacionalnog laboratorija Lawrence Berkeley koji radi na postavljanju tisuće kilometara optičkih kabela koji prolaze zemaljskom kuglom kako bi se koristili u svijesti o geološkim opasnostima - nadgledanje klizišta, padova permafrosta, vrtača i čak promjena ubrizgavanog ugljičnog dioksida. No, u novoj studiji, zasnovanoj na Douovom temeljnom radu i objavljenoj prošlog mjeseca u časopisu Geophysical Research Letters, istraživači su otkrili potencijal i svestranost vlakana kako bi otkrili jednu posebnu opasnost: zemljotresi.
Da bi otkrili sićušne drhtave u zemlji, istraživači često koriste osjetljive instrumente koji se nazivaju seizmometri. Ali svaka od ovih jedinica može biti skupa za ugradnju i teška je za održavanje. A to nije uvijek izvedivo za upotrebu, objašnjava Nate Lindsey, doktor na Kalifornijskom sveučilištu, Berkeleyev Seizmološki laboratorij i vodeći autor nove studije. "Postoje područja u kojima bi moglo biti važno staviti seizmometar - mislim na podmorje, mislim na urbana područja - gdje je ... teško s logističkog stanovišta i sa sigurnosnog stajališta", kaže on.
Nate Lindsey urezao je kabel u Field Station (ljubaznošću Jonathan Ajo-Franklin) Tu dolaze optička vlakna - i planine podataka. Tisuće vlakana optičkih vlakova prolaze našom zemljom, čak se protežu u oceanima. Dakle, ako istraživači mogu iskoristiti ovaj sustav za praćenje potresa, on nudi neviđenu količinu informacija, kaže Dou, koja je radila s Lindsey u UC Berkeley dok je završila doktorat.
Ideja je prilično jednostavna. Mnoge tvrtke s optičkim vlaknima ugrađuju više optičkih kablova nego što im je potrebno, što rezultira sustavom takozvanih "tamnih vlakana" - vlakna s nabijenim podzemnim cjevovodima - koja bi se mogla upotrijebiti u alternativne svrhe, kao što je senzor potresa. Ali svaka od ovih optičkih linija nije savršena. Kada zračite svjetlošću niz pojedine žice vlakna, ove nesavršenosti u strukturi odbijaju dio svjetlosti. Istraživači mogu pričvrstiti ono što je poznato kao laserski interferometar na jednom kraju linije kako bi poslali i izmjerili promjene u tim vraćenim svjetlucanjima, razaznavajući minutne kompresije ili produljenja kabela zbog vibracija tla.
"Svaki metar optičkih vlakana u našoj mreži djeluje poput senzora i košta ih manje od jednog dolara za ugradnju", kaže Biondo Biondi, geofizičar iz Stanforda i autor novog rada, stoji u priopćenju za javnost. "Nikada nećete moći stvoriti mrežu koristeći konvencionalne seizmometre s takvom vrstom pokrivanja, gustoće i cijene."
"U tome je ljepota", objašnjava Dou, "Ne moramo napraviti ništa posebno, samo kupiti nešto što je već široko dostupno za telekomunikacije."
Ali promišljanje kako tačno koristiti ta vlakna za otkrivanje potresa zahtijeva malo više posla. Velika nepoznanica je osjetljivost. Ova upotreba optičkih vlakana za mjerenje vibracija u tlu nastala je iz naftne i plinske industrije, koja je koristila linije za nadzor cjevovoda i bušotina - radeći stvari poput slušanja tutnjave približavanja vozilima. No u ove se svrhe optička vlakna obično „spoje“, ili cementiraju u zemlji, što rezultira učinkovitijim prijenosom Zemljinih mrmljanja i trešanja na vlakna.
„Ljudi nisu vjerovali da će to uspjeti“, kaže Eileen Martin, studentica diplome u Biondi laboratoriju i drugi autor knjige. "Uvijek su vjerovali da će nepovezano optičko vlakno stvoriti previše signalnog buke da bi bilo korisno." Početni testovi provedeni kao suradnja Stanforda, UC Berkeleyja i Berkeley National Lab-a obećavaju.
UC Berkeley istraživači rade na upotrebi optičkih vlakana za praćenje podzemnih površina pet godina, snimajući okolne buke poput prolaska automobila s vlaknima kako bi proučavali promjene u važnim značajkama, poput vodostaja. (U rujnu je tim objavio ovaj rad u suradnji sa znanstvenicima iz američke vojske Cold Regions Research & Engineering Laboratory na Aljasci i Sveučilištu Stanford u časopisu Scientific Reports . ) Za novu studiju vlakana optičkog potencijala za praćenje potresa, znanstvenici su usporedili promatranja potresa pomoću tri različita optička polja, uključujući i pokopane optičke vodove u blizini Fairbanksa na Aljasci, zakopane linije u obliku slova L u Richmondu, u Kaliforniji, i petlju s brojem 8 instaliranu u postojećem telekomunikacijskom kanalu koji prolazi ispod kampusa Stanforda.
Jonathan Ajo-Franklin (lijevo) instalira eksperimentalni niz optičkih vlakana na Field Station. (Ljubaznošću Jonathan Ajo-Franklin) Tim je u sva tri sustava zabilježio niz događaja. Samo u petlji na Stanfordu istraživači su katalogizirali više od 800 templara od kada je prikupljanje podataka počelo u rujnu 2016., odabirejući signale u podacima nakon što prođu događaji. "Možemo ih vidjeti iz Meksika, Italije, Oklahome ..., kao i malene malene na kampusu u Stanfordu", kaže Biondi.
Karta prikazuje položaj petlje od 8 milja optičkih vlakana postavljenih ispod kampusa Stanford u sklopu svjetlovodne seizmičke opservatorije. (Stamen dizajn i muzej Victoria i Albert) Ukupno gledano, rezultati su ohrabrujući. Kao što Biondi kaže, "potencijalno su svi komadi tu", ali potrebno je još posla kako bi se sustav pokrenuo.
Trenutno Lindsey i njegov tim testiraju sposobnosti optičkih vlakana u 13 milja tamnog vlakna u Sacramentu u Kaliforniji, u vlasništvu tvrtke Level 3 Communications, koju je nedavno kupio CenturyLink. Uspoređuju svoj izmjereni signal s tradicionalnim seizmometrima.
"Usporedba je dobra", kaže Lindsey. "Moramo obaviti puno više istraživanja kako bismo razumjeli i razjasnili prednosti i nedostatke optičkog vlakna. Ali u optičkom senzoru postoji signal koji je iznad razine buke i to je korisno." Oni pripremaju rukopis o ovom projektu koji će sljedećeg mjeseca biti objavljen u časopisu s recenzijom.
Osjetljivost je i dalje zabrinjavajuća zbog široke primjene optičkih vlakana u senzoru zemljotresa. "U ovom trenutku, vlakna imaju tendenciju da imaju nižu osjetljivost od uobičajenog seizmometra", kaže Dou. Ostale kolege, napominje ona, trenutno istražuju načine na koje mogu poboljšati sposobnosti optičkih vlakana. Puno je nepoznanica o uvjetima instalacije postojećih telekomunikacijskih mreža. Mali podešavanja, poput broja kablova optičkih vlakana u cjevovodu, mogu utjecati na otkrivanje i samim tim na sposobnost vlakana da prenose točne informacije o potresima.
Jednako je važna i potreba za razvijanjem metoda za obradu i analizu tako velikih količina podataka u stvarnom vremenu. "To je sjajno igralište podataka s kojima se treba raditi", kaže Lindsey. "Ali radujem se danu kada studentima ne budu potrebni koferi tvrdih diskova za rješavanje ove vrste problema."
Clay Kirkendall, istraživač mornarice koji je radio s optičkim senzorima posljednjih 20 godina, trošak ostaje problem sa novim sustavom. "Sigurno su vlakna već tamo i to je veliki dio troškova", kaže Kirkendall, koji nije bio dio studije. Ali još uvijek vam treba uređaj za odbijanje svjetla niz linije i mjerenje povratnih signala - a preskakanje u tom aspektu sustava moglo bi žrtvovati osjetljivost, kaže on. Nejasno je koliko će trenutno koštati visokokvalitetni laserski ispitivači, ali Biondi se nada da će s napretkom tehnologije troškovi tih sustava opadati.
Ako istraživači mogu riješiti te vrste, optička vlakna mogla bi ponuditi rješenje za mnoge izazove praćenja potresa. Ova tehnologija mogla bi biti osobito korisna u poboljšanju sustava koji upozoravaju zajednice na zemljotresima u blizini kako bi im pružili samo djelić dodatnog vremena za pripremu za udar. Pozitivni utjecaji - i neuspjesi - takvih mreža istaknuti su početkom ove godine u meksičkom nizu potresa.
Seizmička opservatorija optičkih vlakana uspješno je otkrila potres magnitude 8, 2 koji je 8. rujna 2017. pogodio središnji Meksiko. (Siyuan Yuan) Meksički seizmički sustav upozorenja ili SASMEX prvi je sustav ranog upozoravanja koji je obavijestio javnost o zemljotresima u očekivanju. Mreža seizmometra, instrument koji se tradicionalno koristi za praćenje potresa, spektar dijelova zemlje, praćenje drhtavica. Čim ova mreža registrira nešto dovoljno veliko za potencijalnu zabrinutost, upozorenje će se ugasiti, što može pružiti od sekunde do pune minute obavijesti o dolaznom naletu.
Lindsey naglašava da ideja nije zamijeniti postojeće sustave - "u najboljem slučaju [optička vlakna] možda ne bi bila dobra kao najbolji seizmometar", napominje - već ih poboljšati. "Vidimo seizmologiju optičkih vlakana kao sjajan način za nadopunu tehnika ranog upozoravanja potresa, koje se danas grade po cijeloj planeti", kaže on.
Iako se još puno toga može učiniti kako bi se to dogodilo, na tim su istraživanjima timovi istraživača i mnoga sveučilišta. "Ovo je zaista kolektivno veće nastojanje", kaže Dou, napominjući da tim iz CalTech-a radi na sličnim projektima od tamnih vlakana.
"To je područje koje se brzo razvija i sretni smo što smo na mjestu pionira", kaže ona.
