Seismologer på Caltech som arbetar med optikexperter på Google har utvecklat en metod för att använda befintliga telekommunikationskablar under vatten för att upptäcka jordbävningar. Tekniken kan leda till förbättrade varningssystem för jordbävningar och tsunami runt om i världen.

Ett stort nätverk av mer än en miljon kilometer fiberoptisk kabel ligger på botten av jordens hav. På 1980-talet telekommunikationsföretag och regeringar började lägga dessa kablar, som var och en kan sträcka sig över tusentals kilometer. I dag, det globala nätverket anses vara ryggraden i internationell telekommunikation.

Forskare har länge sökt ett sätt att använda de nedsänkta kablarna för att övervaka seismiciteten. Trots allt, mer än 70 procent av jordklotet är täckt av vatten, och det är extremt svårt och dyrt att installera, övervaka, och kör undervattensseismometrar för att hålla reda på jordens rörelser under havet. Vad skulle vara idealiskt, forskare säger, är att övervaka seismiciteten genom att använda den infrastruktur som redan finns längs havsbotten.

Tidigare försök att använda optiska fibrer för att studera seismicitet har förlitat sig på tillägg av sofistikerade vetenskapliga instrument och/eller användning av så kallade "mörka fibrer, " fiberoptiska kablar som inte används aktivt.

Nu Zhongwen Zhan (Ph.D. '13), biträdande professor i geofysik vid Caltech, och hans kollegor har kommit på ett sätt att analysera ljuset som färdas genom "upplysta" fibrer – med andra ord, befintliga och fungerande undervattenskablar – för att upptäcka jordbävningar och havsvågor utan behov av ytterligare utrustning. De beskriver den nya metoden i numret av den 26 februari av tidskriften Vetenskap .

"Denna nya teknik kan verkligen omvandla majoriteten av undervattenskablar till geofysiska sensorer som är tusentals kilometer långa för att upptäcka jordbävningar och eventuellt tsunamier i framtiden, " säger Zhan. "Vi tror att detta är den första lösningen för att övervaka seismiciteten på havsbotten som skulle kunna implementeras runt om i världen. Det skulle kunna komplettera det befintliga nätverket av markbaserade seismometrar och tsunamiövervakningsbojar för att göra upptäckten av undervattensjordbävningar och tsunamier mycket snabbare i många fall."

Kabelnätverken fungerar genom användning av lasrar som skickar informationspulser genom glasfibrer som är samlade i kablarna för att leverera data med hastigheter snabbare än 200, 000 kilometer per sekund till mottagare i andra änden. För att utnyttja kablarna optimalt – dvs. att överföra så mycket information som möjligt över dem – en av de saker som operatörerna övervakar är polariseringen av ljuset som färdas inuti fibrerna. Precis som annat ljus som passerar genom ett polariserande filter, laserljus är polariserat – vilket betyder, dess elektriska fält oscillerar i bara en riktning snarare än någonstans. Att styra det elektriska fältets riktning kan tillåta flera signaler att färdas genom samma fiber samtidigt. I den mottagande änden, enheter kontrollerar polariseringstillståndet för varje signal för att se hur den har förändrats längs kabelns väg för att säkerställa att signalerna inte blandas.

I sitt arbete, forskarna fokuserade på Curie-kabeln, en undervattensfiberoptisk kabel som sträcker sig mer än 10, 000 kilometer längs den östra kanten av Stilla havet från Los Angeles till Valparaiso, Chile. (Även om Zhan säger att tekniken skulle kunna användas på många av de hundratals undervattenskablar som korsar jorden.)

På mark, alla typer av störningar, såsom förändringar i temperatur och till och med blixtnedslag, kan ändra polariseringen av ljus som färdas genom fiberoptiska kablar. Eftersom temperaturen i djuphavet förblir nästan konstant och eftersom det finns så få störningar där, förändringen i polarisation från ena änden av Curie-kabeln till den andra förblir ganska stabil över tiden, Zhan och hans kollegor hittade.

Dock, under jordbävningar och när stormar producerar stora havsvågor, polariseringen förändras plötsligt och dramatiskt, gör det möjligt för forskarna att enkelt identifiera sådana händelser i data.

För närvarande, när jordbävningar inträffar miles offshore, det kan ta minuter för de seismiska vågorna att nå landbaserade seismometrar och ännu längre tid för eventuella tsunamivågor att verifieras. Med den nya tekniken, hela längden av en undervattenskabel fungerar som en enda sensor på en svårövervakad plats. Polarisation kan mätas så ofta som 20 gånger per sekund. Det betyder att om en jordbävning drabbar nära ett visst område, en varning kan skickas till de potentiellt drabbade områdena inom några sekunder.

Under de nio månaderna av testning som rapporterades i den nya studien (mellan december 2019 och september 2020), forskarna upptäckte omkring 20 måttliga till stora jordbävningar längs Curiekabeln, inklusive jordbävningen med magnituden 7,7 som ägde rum utanför Jamaica den 28 januari, 2020.

Även om inga tsunamier upptäcktes under studien, forskarna kunde upptäcka förändringar i polarisation som orsakats av havsdyningar som har sitt ursprung i södra oceanen. De tror att förändringarna i polarisation som observerades under dessa händelser orsakades av tryckförändringar längs havsbotten när kraftfulla vågor färdades förbi kabeln. "Detta betyder att vi kan upptäcka havsvågor, so it is plausible that one day we will be able to detect tsunami waves, " says Zhan.

Zhan and his colleagues at Caltech are now developing a machine learning algorithm that would be able to determine whether detected changes in polarization are produced by earthquakes or ocean waves rather than some other change to the system, such as a ship or crab moving the cable. They expect that the entire detection and notification process could be automated to provide critical information in addition to the data already collected by the global network of land-based seismometers and the buoys in the Deep-ocean Assessment and Reporting of Tsunamis (DART) system, operated by the National Oceanic and Atmospheric Administration's National Data Buoy Center.

Den nya Vetenskap paper is titled "Optical polarization-based seismic and water wave sensing on transoceanic cables."