Gli scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia hanno dimostrato per la prima volta che la fibra oscura - la vasta rete di cavi in ​​fibra ottica inutilizzati installati in tutto il paese e nel mondo - può essere utilizzata come sensori per rilevare i terremoti, la presenza di acque sotterranee, cambiamenti nelle condizioni del permafrost, e una varietà di altre attività sotterranee.

In un paio di articoli pubblicati di recente, un team guidato dal ricercatore del Berkeley Lab Jonathan Ajo-Franklin ha annunciato di aver combinato con successo una tecnologia chiamata "rilevamento acustico distribuito, " che misura le onde sismiche utilizzando cavi in ​​fibra ottica, con nuove tecniche di elaborazione per consentire un monitoraggio sismico affidabile, ottenendo risultati paragonabili a quelli che possono misurare i sismometri convenzionali.

"Questo ha un enorme potenziale perché puoi solo immaginare lunghi tratti di fibre trasformati in una massiccia rete sismica, " disse Shan Dou, un borsista post-dottorato del Berkeley Lab. "L'idea è che utilizzando una fibra che può essere interrata per lungo tempo, possiamo trasformare il rumore del traffico o altre vibrazioni ambientali in segnali sismici utilizzabili che possono aiutarci a monitorare i cambiamenti vicino alla superficie come il disgelo del permafrost e le fluttuazioni del livello delle acque sotterranee".

Dou è l'autore principale di "Distributed Acoustic Sensing for Sismic Monitoring of the Near Surface:A Traffic-Noise Interferometry Case Study, " che è stato pubblicato a settembre su Nature's Rapporti scientifici e verificato la tecnica per monitorare la superficie vicina della Terra. Più recentemente, Il gruppo di Ajo-Franklin ha pubblicato uno studio di follow-up condotto dallo studente laureato dell'UC Berkeley Nate Lindsey, "Osservazioni della rete in fibra ottica dei campi d'onda sismici, " in Lettere di ricerca geofisica (GRL) , che dimostra la fattibilità dell'utilizzo di cavi in ​​fibra ottica per il rilevamento dei terremoti.

Cos'è la fibra scura?

La fibra scura si riferisce al cavo in fibra ottica inutilizzato, di cui c'è un eccesso grazie a una grande corsa all'installazione del cavo nei primi anni '90 da parte delle società di telecomunicazioni. Proprio come i cavi erano sepolti sottoterra, la tecnologia per la trasmissione dei dati è migliorata in modo significativo, quindi sono stati necessari meno cavi. Ora ci sono densi corridoi di fibra scura che attraversano l'intero paese.

Il rilevamento acustico distribuito (DAS) è una nuova tecnologia che misura i campi d'onda sismici sparando brevi impulsi laser lungo la lunghezza della fibra. "L'idea di base è la luce laser viene dispersa da minuscole impurità nella fibra, " disse Ajo-Franklin. "Quando la fibra è deformata, vedremo distorsioni nella luce retrodiffusa, e da queste distorsioni, possiamo misurare come la fibra stessa viene schiacciata o tirata."

Usando un array di prova che hanno installato a Richmond, California - con cavo in fibra ottica posizionato in una trincea poco profonda a forma di L, un tratto di circa 100 metri parallelo alla strada e un altro perpendicolare - i ricercatori hanno verificato che potevano utilizzare le onde sismiche generate dal traffico urbano, come automobili e treni, per visualizzare e monitorare le proprietà meccaniche degli strati superficiali del suolo.

Le misurazioni forniscono informazioni su quanto sia "morbido" il terreno in un dato punto, permettendo di dedurre una grande quantità di informazioni sulle proprietà del suolo, come il contenuto di acqua o la consistenza. "Immagina uno slinky - può comprimere o dimenarsi, " Ha detto Ajo-Franklin. "Questi corrispondono a diversi modi in cui puoi spremere il terreno, e quanta energia ci vuole per ridurne il volume o tagliarlo."

Ha aggiunto:"La cosa bella è che stai effettuando misurazioni su ogni piccola unità di fibra. Tutti i riflessi tornano a te. Conoscendoli tutti e sapendo quanto tempo impiega una luce laser per tornare indietro e avanti sulla fibra è possibile eseguire il backup di ciò che sta accadendo in ogni posizione. Quindi è una misurazione veramente distribuita. "

Dopo aver dimostrato il concetto in condizioni controllate, il team ha affermato di aspettarsi che la tecnica funzioni su una varietà di reti di telecomunicazioni esistenti, e stanno attualmente conducendo esperimenti di follow-up in tutta la California per dimostrarlo. La ricerca in corso in Alaska sta anche esplorando la stessa tecnica per monitorare la stabilità del permafrost artico.

Dou ha aggiunto:"Possiamo monitorare molto bene la superficie vicina utilizzando nient'altro che il rumore del traffico. Potrebbero essere fluttuazioni nei livelli delle acque sotterranee, o cambiamenti che potrebbero fornire allarmi precoci per una varietà di rischi geografici come il disgelo del permafrost, formazione di doline, e frane».

Utilizzo della fibra per il rilevamento dei terremoti

Basandosi su cinque anni di ricerca condotta dal Berkeley Lab che esplora l'uso di DAS per il monitoraggio del sottosuolo utilizzando sorgenti sismiche non sismiche, Il gruppo di Ajo-Franklin ha ora superato i limiti e ha dimostrato che DAS è anche un potente strumento per il monitoraggio dei terremoti.

Nello studio GRL condotto da Lindsey in collaborazione con la studentessa laureata di Stanford Eileen Martin, il team di ricerca ha effettuato misurazioni utilizzando la tecnica DAS su array di fibre ottiche in tre località:due in California e una in Alaska. In tutti i casi, DAS ha dimostrato di essere relativamente sensibile ai terremoti come i sismometri convenzionali, nonostante i suoi livelli di rumore più elevati. Utilizzando gli array DAS, hanno messo insieme un catalogo di locali, regionale, e terremoti lontani e ha mostrato che le tecniche di elaborazione potrebbero sfruttare i numerosi canali di DAS per aiutare a capire da dove provengono i terremoti.

Ajo-Franklin ha detto che la fibra scura ha il vantaggio di essere quasi onnipresente, considerando che i sismometri tradizionali, perché sono costosi, sono scarsamente installati, e gli impianti sottomarini sono particolarmente scarsi. Inoltre, la fibra consente un campionamento spaziale denso, il che significa che i punti dati sono solo a metri di distanza, mentre i sismometri sono tipicamente separati da molti chilometri.

Lindsey ha aggiunto:"La fibra ha molte implicazioni per il rilevamento dei terremoti, Posizione, e allerta precoce. La fibra esce nell'oceano, ed è in tutta la terra, quindi questa tecnologia aumenta la probabilità che un sensore sia vicino alla rottura quando si verifica un terremoto, che si traduce nel trovare piccoli eventi, migliori posizioni sismiche, e tempo extra per l'allerta precoce".

Il documento GRL rileva altre potenziali applicazioni dell'utilizzo della fibra scura, compresa l'analisi della pericolosità sismica urbana, imaging sismico globale, rilevamento sottomarino offshore del vulcano, monitoraggio di esplosioni nucleari, e caratterizzazione microsismica.