Na mizi Shan Doua stojijo trije urejeni stolpi trdih diskov. Napolnjeni v samo nekaj mesecih vsebujejo približno 500 terabajtov potresnih podatkov. Gre za osupljivo ogromno količino podatkov za zbiranje in obdelavo - nekoliko več od količine, ki je trenutno v nacionalnem skladišču potresnih podatkov, ki ima arhiv iz leta 1970.
Od kod vse te informacije? Odgovor leži pod vašimi nogami: optična vlakna.
Dou je podoktorski raziskovalec v Nacionalnem laboratoriju Lawrence Berkeley, ki si prizadeva za tisoče kilometrov optičnih kablov, ki prečkajo globino sveta, da bi ga uporabili pri ozaveščanju o geoloških nevarnostih - spremljanje zemeljskih plazov, padcev večne zmrzali, vrtač in celo sprememb vbrizganega ogljikovega dioksida. Toda v novi študiji, ki temelji na Douovem temeljnem delu in je prejšnji mesec objavljena v reviji Geophysical Research Letters, so raziskovalci izrazili potencial in vsestranskost vlaken, da bi odkrili eno posebno nevarnost: potresi.
Za odkrivanje drobnega tresenja v tleh raziskovalci običajno uporabljajo občutljive instrumente, imenovane seizmometri. Toda vsaka od teh enot je lahko draga za namestitev in je težko vzdrževati. In jih ni vedno mogoče uporabiti, razlaga Nate Lindsey, doktorski študent na kalifornijski univerzi iz Berkeleyjevega seizmološkega laboratorija in vodilni avtor nove študije. "Obstajajo območja, na katerih bi bilo morda pomembno postaviti seizmometer - razmišljam na morju, mislim na mestna območja - kjer je to ... z logističnega vidika in z varnostnega vidika ... težko, " pravi.
Nate Lindsey obreže kabel na poljski postaji Richmond (avtor dovoljenja Jonathan Ajo-Franklin) Tu pridejo optična vlakna - in gora podatkov. Na tisoče optičnih vlaken pelje našo državo, sega celo v oceane. Če raziskovalci lahko uporabijo ta sistem za spremljanje potresa, ponuja brez primere veliko informacij, pravi Dou, ki je med Lindseyjem v UC Berkeley sodeloval pri doktoratu.
Ideja je dokaj preprosta. Mnoga optična podjetja vgradijo več optičnih kablov, kot jih potrebujejo, kar ima za posledico sistem tako imenovanih "temnih vlaken" - vlaken, ki so v podzemnih vodih - ki jih je mogoče uporabiti za druge namene, kot je zaznavanje potresa. Toda vsaka od teh optičnih vodov je nepopolna. Ko spuščate svetlobo po posameznih optičnih vlaken, te pomanjkljivosti v strukturi odbijejo del svetlobe. Raziskovalci lahko na en konec vrstice pritrdijo tisto, kar je znano kot laserski interferometer, da pošljejo in izmerijo spremembe v teh vrnjenih utripah, pri čemer opazijo minutne stiske ali podaljške kablov zaradi vibracij tal.
"Vsak meter optičnih vlaken v našem omrežju deluje kot senzor in za namestitev stane manj kot dolar, " v sporočilu za javnost piše Biondo Biondi, geofizik iz Stanforda in avtor novega prispevka. "Nikoli ne boste mogli ustvariti omrežja z običajnimi seizmometri s takšno pokritostjo, gostoto in ceno."
"V tem je lepota, " razlaga Dou, "ni nam treba narediti ničesar posebnega, samo kupiti nekaj, kar je že na voljo za telekomunikacije."
Toda natančno določanje, kako uporabiti ta vlakna za odkrivanje potresa, zahteva nekaj več dela. Ena velika neznanka je občutljivost. Ta uporaba optičnih vlaken za merjenje vibracij v tleh je nastala iz naftne in plinske industrije, ki je uporabljala linije za spremljanje cevovodov in vrtin - s tem, ko je poslušala glas, ki se približuje vozilom. Toda za te namene je optična vlakna običajno "povezana" ali cementirana v tleh, kar ima za posledico učinkovitejši prenos zemeljskih godrnjav in tresenja na vlakna.
"Ljudje niso verjeli, da bo to delovalo, " pravi Eileen Martin, študentka v laboratoriju Biondi in druga avtorica prispevka. "Vedno so domnevali, da nevezana optična vlakna ustvarjajo preveč signalnega hrupa, da bi bila uporabna." Vendar pa so začetni testi, ki so bili opravljeni kot sodelovanje med Stanfordom, UC Berkeley in Berkeley National Lab.
Raziskovalci UC Berkeley se že pet let trudijo z uporabo optičnih vlaken za spremljanje podzemne površine, s katerimi snemajo zvoke v okolju, kot so vozili avtomobile z vlakni, da bi preučili spremembe pomembnih lastnosti, na primer vodne mize. (Septembra je ekipa to delo objavila v sodelovanju z znanstveniki iz ameriške vojske Cold Regions Research & Engineering Laboratory na Aljaski in Univerze Stanford v reviji Scientific Reports . ) Za novo študijo optičnih potencialov za spremljanje potresa so znanstveniki primerjali opazovanja potresa z uporabo treh različnih optičnih nizov vlaken, vključno z zakopanimi optičnimi vodi v bližini Fairbanksa na Aljaski, zakopanih linij v obliki črke L v Richmondu v Kaliforniji in zanke številke 8, nameščene v obstoječem telekomunikacijskem kanalu, ki poteka pod kampusom Stanforda.
Jonathan Ajo-Franklin (levo) je na poljski postaji Richmond namestil eksperimentalni preskusni niz z optičnimi vlakni. (Vljudnost Jonathan Ajo-Franklin) Ekipa je zabeležila vrsto dogodkov v vseh treh sistemih. Samo v zanki na Stanfordu so raziskovalci katalogizirali več kot 800 temblorjev, odkar se je septembra 2016 začelo zbiranje podatkov in so izbrali podatke v podatkih po poteku dogodkov. "Lahko jih vidimo iz Mehike, iz Italije, iz Oklahome ... pa tudi na drobno drobcenih na kampusu Stanford, " pravi Biondi.
Zemljevid prikazuje lokacijo 3-kilometrske zanke na sliki 8 optičnih vlaken, nameščene pod kampusom Stanford, kot del optičnega optičnega vlakna. (Stamen Design in muzej Victoria in Albert) Na splošno so rezultati spodbudni. Kot pravi Biondi, "so potencialno vsi kosi tam", vendar je treba narediti več dela, da bo sistem začel delovati.
Trenutno Lindsey in njegova ekipa preizkušajo zmogljivosti optičnih vlaken v 13 kilometrov temnih vlaken v Sacramentu v Kaliforniji, ki je v lasti podjetja Level 3 Communications, ki ga je nedavno kupil CenturyLink. Njihov izmerjeni signal primerjajo s tradicionalnimi seizmometri.
"Primerjava je dobra, " pravi Lindsey. "Potrebno je še veliko raziskav, da bi razumeli in razjasnili prednosti in slabosti optičnega zaznavanja vlaken. Toda v optičnem optičnem vlaknu je signal, ki je nad nivojem hrupa, in to je koristno." Pripravljajo rokopis tega projekta, ki ga bodo naslednji mesec poslali v objavo v strokovno pregledni reviji.
Občutljivost je še vedno zaskrbljujoča zaradi široke uporabe zaznavanja potresa iz optičnih vlaken. "Za vlakna so trenutno značilna manjša občutljivost kot običajni seizometer, " pravi Dou. Drugi kolegi, ugotavlja, trenutno preiskujejo načine za izboljšanje sposobnosti optičnih vlaken. Veliko je tudi neznank o pogojih namestitve obstoječih telekomunikacijskih omrežij. Majhni pritiski, kot je število optičnih kablov v kanalu, lahko vplivajo na odkrivanje in s tem na sposobnost vlaken, da prenesejo natančne informacije o potresih.
Prav tako pomembna je potreba po razvoju metod za obdelavo in analizo tako velikih količin podatkov v realnem času. "To je odlično otroško igrišče, " pravi Lindsey. "Vendar se veselim dneva, ko študentje ne bodo potrebovali kovčkov trdih diskov za rešitev tovrstnih težav."
Clay Kirkendall, raziskovalec mornarice, ki je zadnjih 20 let sodeloval z optičnimi senzorji, stane nov sistem. "Zagotovo so vlakna že tam in to je velik del stroškov, " pravi Kirkendall, ki ni bil del študije. Toda še vedno potrebujete napravo za odbiranje svetlobe po črtah in merjenje povratnih signalov - in preskakovanje tega vidika sistema bi lahko žrtvovalo občutljivost, pravi. Nejasno je, koliko bodo v tem trenutku stali visokokakovostni laserski zasliševalci, vendar Biondi upa, da bodo stroški teh sistemov z napredovanjem tehnologije upadali.
Če lahko raziskovalci razrešijo te mete, bi lahko optična vlakna ponudila rešitev za številne izzive spremljanja potresa. Ta tehnologija bi bila lahko še posebej uporabna pri izboljšanju sistemov, ki opozarjajo skupnosti bližnjih potresov, da bi jim dali le del dodatnega časa, da se pripravijo na udar. Pozitivni učinki - in neuspehi - takšnih mrež so bili poudarjeni že v letošnjem letu v mehiških serijah potresov.
Seizmični observatorij iz optičnih vlaken je uspešno odkril potres z močjo 8, 2, ki je 8. septembra 2017 prizadel centralno Mehiko. (Siyuan Yuan) Mehiški seizmični alarmni sistem ali SASMEX je prvi sistem zgodnjega opozarjanja, ki je javnost obvestil o nestrpnih potresov. Mreža potresnih merilnikov, instrumenta, ki se tradicionalno uporablja za spremljanje potresov, spekljanje delov države, spremljanje tresenja. Takoj, ko to omrežje zabeleži nekaj dovolj velikega za morebitne težave, se opozorilo izzveni, kar lahko zagotavlja vse od sekunde do polne minute obvestila o dohodnem sunku.
Lindsey poudarja, da ideja ni nadomestiti obstoječih sistemov - "v najboljšem primeru [optična vlakna] morda ne bo tako dobra kot najboljši seizometer, " je opozoril, - temveč da jih izboljša. "Vidimo, da je seizmologija z optičnimi vlakni odličen način za dopolnitev tehnik zgodnjega opozarjanja potresa, ki se zdaj gradijo okoli planeta, " pravi.
Čeprav je treba storiti še veliko več, da se to zgodi, so na tem mestu ekipe raziskovalcev in mnogih univerz. "To je resnično večje prizadevanje, " pravi Dou in ugotavlja, da ekipa pri CalTechu deluje na podobnih projektih iz temnih vlaken.
"To je področje, ki se hitro razvija, in imamo samo srečo, da smo na pionirskem položaju, " pravi.
