Asger Risom
Genom att övervaka nanometerskala-störningar och polarisationsförskjutningar i laserljuset som färdas genom kommersiella undervattensfiberoptiska kablar, förvandlar forskare globala telekommunikationslinjer till realtidsnätverk för jordbävnings- och tsunamivarningar.
Ungefär 70 procent av planeten är täckt av vatten, men nästan alla våra seismografer står på torra land. Att placera känsliga jordbävningsmonitorer på den djupa havsbotten är en ingenjörsmässig mardröm: djuphavstrycket krossar billiga kapslingar, saltvatten korroderar elektronik, och att hämta batteridrivna instrument kräver att man chartrar dyra forskningsfartyg. På grund av denna logistiska barriär sker den stora majoriteten av vår planets tektoniska aktivitet i en massiv sensorisk blind fläck.
Exakt samtidigt som geologer kämpade med denna oceaniska mörkläggning, spenderade telekommunikationsföretag och teknikjättar miljarder på att lägga ut ungefär 800 000 miles fiberoptiska kablar längs havsbotten.
Nu har geofysiker listat ut hur man kan utnyttja denna privata infrastruktur. Genom att mäta mikroskopiska fluktuationer i ljuspulserna som redan bär global internettrafik, förvandlar forskare kommersiella havsbottenkablar till massiva, realtidsbaserade seismiska detektionsnätverk utan att avbryta en enda Netflix-ström.
Lyssna på mikroskopiska frakturer i ljus
Det initiala genombrottet byggde på en teknik som kallas Distributed Acoustic Sensing, eller DAS.
Fiberoptiska kablar skickar data genom att stråla laserpulser genom trådar av ultrarent kiselglas. Men ingen glasbit är fysiskt perfekt; varje tillverkningsprocess lämnar efter sig mikroskopiska oregelbundenheter i kärnan. När en laserpuls skjuter ner längs linjen träffar en liten del av ljuset dessa atomära imperfektioner och studsar tillbaka mot källan. Fysiker kallar detta Rayleigh-bakåtspridning.
I ett laboratorium är bakåtspridning bara bakgrundsbrus att filtrera bort. För en seismolog är det en akustisk guldgruva. När en jordbävning inträffar eller en tung havssväll passerar ovanför, sträcker och komprimerar det fysiska trycket havsbottenkabeln med bara nanometer. Denna mikroskopiska påfrestning förskjuter den exakta tidpunkten och fasen för det bakåtspridda ljuset.
Genom att mäta dessa nanoskala-förskjutningar vid strandterminalen kan ingenjörer förvandla en standardglastråd till en kontinuerlig kedja av tusentals virtuella seismometrar placerade med några meters mellanrum.
Spåra förkastningar utan att tappa ett enda videosamtal
DAS är anmärkningsvärt precist, men det har en inbyggd begränsning: laserbakåtspridningen blir för svag för att läsas efter ungefär 60 miles, och hårdvaran kräver tillgång till ”mörka” (oanvända) fibersträngar. Det gör den utmärkt för kustnära hyllor, men oanvändbar för att övervaka transoceaniska kablar som sträcker sig tusentals miles över öppna bassänger.
För att överbrygga denna klyfta samarbetade geofysiker vid Caltech med optiska ingenjörer på Google för att testa en annan fysisk egenskap hos ljus: polarisation.
Laserljus som färdas genom kommersiell fiber är polariserat, vilket innebär att dess ljusvågor oscillerar i en specifik riktning. När lasern passerar genom tusentals miles av glas, driver denna polarisationsvinkel i ett förutsägbart mönster. Skakningar från en jordbävning till havs eller tryck från en rullande tsunami vrider mekaniskt kabeln, vilket orsakar plötsliga toppar i ljusets polarisationstillstånd.
I en banbrytande studie publicerad i Science, övervakade teamet Googles 10 000 kilometer långa Curie-kabel, som löper längs Stillahavskusten från Los Angeles till Valparaíso, Chile. Utan att lägga till en enda hårdvarudel på havsbotten eller ändra kabelns standarddataöverföring, upptäckte systemet framgångsrikt dussintals regionala jordbävningar längs subduktionszonen, tillsammans med de distinkta trycksignaturerna från havssvällar.
Köper värdefulla sekunder för tsunamivarningar
Den praktiska nyttan av detta optiska trick är tidig varning. Världens mest katastrofala jordbävningar och tsunamier har sitt ursprung i subduktionszoner till havs – platser som Cascadia-förkastningen utanför nordvästra Stilla havet eller gravarna längs Eldringen.
Eftersom traditionella landbaserade seismografer är placerade dussintals eller hundratals miles bort från dessa epicentrum till havs, tar det värdefulla sekunder för seismiska chockvågor att nå kusten och utlösa ett automatiskt larm. Genom att förvandla undervattenskablar till sensorer kan vi upptäcka brottet i samma ögonblick som det börjar på havsbotten.
Några extra sekunder kanske inte låter som mycket, men i ett tidigt varningssystem är det skillnaden mellan att automatiserade ventiler stänger av naturgasledningar, tunnelbanesystem som bromsar till stillastående, och kustinvånare som tar sig till högre mark innan havet drar sig tillbaka. Vi tillbringade årtionden med att behandla havsbotten som en informationskorridor; nu varnar kablarna vi lade för att surfa på nätet oss när planeten rör sig under dem.
