I cavi in ​​fibra ottica che costituiscono una rete di telecomunicazioni sottomarina globale potrebbero un giorno aiutare gli scienziati a studiare i terremoti offshore e le strutture geologiche nascoste in profondità sotto la superficie dell'oceano.

In un articolo apparso questa settimana sulla rivista Scienza , ricercatori dell'Università della California, Berkeley, Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), Il Monterey Bay Aquarium Research Institute (MBARI) e la Rice University descrivono un esperimento che ha trasformato 20 chilometri di cavo in fibra ottica sottomarino nell'equivalente di 10, 000 stazioni sismiche lungo il fondo dell'oceano. Durante il loro esperimento di quattro giorni a Monterey Bay, hanno registrato un terremoto di magnitudo 3.5 e la diffusione sismica da zone di faglia sottomarine.

La loro tecnica, che avevano precedentemente testato con cavi in ​​fibra ottica a terra, potrebbe fornire i dati tanto necessari sui terremoti che si verificano sotto il mare, dove esistono poche stazioni sismiche, lasciando il 70% della superficie terrestre senza rilevatori di terremoti.

"C'è un enorme bisogno di sismologia dei fondali marini. Qualsiasi strumentazione che metti nell'oceano, anche se è solo per i primi 50 chilometri dalla riva, sarà molto utile, " ha detto Nate Lindsey, uno studente laureato alla UC Berkeley e autore principale del documento.

Lindsey e Jonathan Ajo-Franklin, un professore di geofisica alla Rice University di Houston e uno scienziato della facoltà in visita al Berkeley Lab, ha condotto l'esperimento con l'assistenza di Craig Dawe di MBARI, che possiede il cavo in fibra ottica. Il cavo si estende per 52 chilometri al largo della prima stazione sismica mai collocata sul fondo dell'Oceano Pacifico, messo lì 17 anni fa da MBARI e Barbara Romanowicz, un professore della UC Berkeley della Graduate School nel Dipartimento di Scienze della Terra e dei pianeti. Un cavo permanente al nodo del Monterey Accelerated Research System (MARS) è stato posato nel 2009, 20 chilometri dei quali sono stati utilizzati in questo test mentre erano offline per la manutenzione annuale a marzo 2018.

"Questo è davvero uno studio sulla frontiera della sismologia, la prima volta che qualcuno ha utilizzato cavi in ​​fibra ottica offshore per osservare questi tipi di segnali oceanografici o per l'imaging di strutture di faglia, " ha detto Ajo-Franklin. "Uno dei punti vuoti nella rete sismografica mondiale è negli oceani".

L'obiettivo finale degli sforzi dei ricercatori, Egli ha detto, è quello di utilizzare le fitte reti in fibra ottica in tutto il mondo, probabilmente più di 10 milioni di chilometri in tutto, sia sulla terra che sotto il mare, come misure sensibili del movimento della Terra, consentendo il monitoraggio dei terremoti in regioni che non dispongono di costose stazioni di terra come quelle che punteggiano gran parte della California e della costa del Pacifico, soggette a terremoti.

"La rete sismica esistente tende ad avere strumenti di alta precisione, ma è relativamente scarso, considerando che questo ti dà accesso a un array molto più denso, ", ha detto Ajo-Franklin.

Sismologia fotonica

La tecnica utilizzata dai ricercatori è il rilevamento acustico distribuito, che impiega un dispositivo fotonico che invia brevi impulsi di luce laser lungo il cavo e rileva la retrodiffusione creata dalla deformazione nel cavo causata dall'allungamento. Con l'interferometria, possono misurare la retrodiffusione ogni 2 metri (6 piedi), trasformando efficacemente un cavo di 20 chilometri in 10, 000 sensori di movimento individuali.

"Questi sistemi sono sensibili a variazioni da nanometri a centinaia di picometri per ogni metro di lunghezza, " ha detto Ajo-Franklin. "Questo è un cambiamento di una parte su un miliardo".

All'inizio di quest'anno, hanno riportato i risultati di una prova di sei mesi a terra utilizzando 22 chilometri di cavo vicino a Sacramento insediati dal Dipartimento dell'Energia come parte dei suoi 13, Banco di prova per fibra oscura ESnet da 000 miglia. La fibra scura si riferisce a cavi ottici posati sottoterra, ma inutilizzato o locato per uso a breve termine, in contrasto con Internet "acceso" attivamente utilizzato. I ricercatori sono stati in grado di monitorare l'attività sismica e il rumore ambientale e ottenere immagini del sottosuolo a una risoluzione più elevata e su scala più ampia di quanto sarebbe stato possibile con una rete di sensori tradizionale.

"Il bello della sismologia in fibra ottica è che puoi utilizzare i cavi di telecomunicazione esistenti senza doverne spegnere 10, 000 sismometri, "Ha detto Lindsey. "Basta andare al sito e collegare lo strumento alla fine della fibra."

Durante la prova subacquea, sono stati in grado di misurare un'ampia gamma di frequenze delle onde sismiche da un terremoto di magnitudo 3.4 verificatosi a 45 chilometri nell'entroterra vicino a Gilroy, California, e mappare più zone di faglia sottomarine conosciute e precedentemente non mappate, parte del sistema della Faglia di San Gregorio. Sono stati anche in grado di rilevare le onde oceaniche in stato stazionario, i cosiddetti microsismi oceanici, nonché le onde di tempesta, il tutto corrispondeva alle misurazioni sismiche della boa e del terreno.

"Abbiamo enormi lacune nelle conoscenze sui processi sul fondo dell'oceano e sulla struttura della crosta oceanica perché è difficile mettere strumenti come i sismometri sul fondo del mare, " ha detto Michael Manga, un professore di scienze della terra e planetarie all'Università di Berkeley. "Questa ricerca mostra la promessa di utilizzare i cavi in ​​fibra ottica esistenti come array di sensori per acquisire immagini in modi nuovi. Qui, hanno identificato onde precedentemente ipotizzate che non erano state rilevate prima".

Secondo Lindsey, c'è un crescente interesse tra i sismologi per registrare il campo di rumore ambientale della Terra causato dalle interazioni tra l'oceano e la terraferma:essenzialmente, onde che si infrangono vicino alle coste.

"Utilizzando questi cavi in ​​fibra ottica costieri, possiamo praticamente guardare le onde che siamo abituati a vedere dalla riva mappate sul fondo del mare, e il modo in cui queste onde oceaniche si accoppiano nella Terra per creare onde sismiche, " Egli ha detto.

Per utilizzare i cavi in ​​fibra ottica illuminati del mondo, Lindsey e Ajo-Franklin devono dimostrare di poter eseguire il ping degli impulsi laser attraverso un canale senza interferire con altri canali nella fibra che trasportano pacchetti di dati indipendenti. Stanno conducendo esperimenti ora con fibre accese, pianificando anche il monitoraggio in fibra ottica di eventi sismici in un'area geotermica a sud del Salton Sea della California meridionale, nella zona sismica di Brawley.