Ogni fibra di vetro sottile come un capello in un cavo in fibra ottica sepolto contiene piccoli difetti interni, e questa è una buona cosa per gli scienziati che cercano nuovi modi per raccogliere dati sismici in luoghi da un affollato centro urbano a un ghiacciaio remoto.

In Lettere di ricerca sismologica , Il sismologo del California Institute of Technology Zhongwen Zhan descrive il crescente interesse per questo metodo, chiamato Distributed Acoustic Sensing, e le sue potenziali applicazioni. Il suo articolo fa parte della serie Emerging Topics della rivista, in cui gli autori sono invitati dagli editori di SRL per esplorare gli sviluppi che stanno plasmando varie aree della sismologia e della scienza dei terremoti.

DAS funziona utilizzando i minuscoli difetti interni di una lunga fibra ottica come migliaia di sensori sismici lungo decine di chilometri di cavo in fibra ottica. Uno strumento a un'estremità invia impulsi laser lungo un cavo e raccoglie e misura l'"eco" di ciascun impulso mentre viene riflesso dai difetti interni della fibra.

Quando la fibra è disturbata da variazioni di temperatura, deformazioni o vibrazioni, causate da onde sismiche, per esempio, ci sono cambiamenti nelle dimensioni, frequenza e fase della luce laser diffusa di nuovo allo strumento DAS. I sismologi possono utilizzare questi cambiamenti per determinare i tipi di onde sismiche che potrebbero aver spinto la fibra, anche se di poche decine di nanometri.

La sensibilità degli strumenti DAS è notevolmente migliorata negli ultimi cinque anni, aprendo nuove possibilità per il loro dispiegamento, ha detto Zhan. "La sensibilità sta migliorando sempre di più, al punto che qualche anno fa se si confrontavano le forme d'onda di una sezione in fibra con un geofono, sono molto simili tra loro."

Le loro prestazioni li rendono adatti per l'uso in una varietà di ambienti, soprattutto in luoghi dove sarebbe troppo costoso realizzare una rete sismica più sensibile o densa. I ricercatori possono anche attingere alle grandi quantità di fibra inutilizzata o "scura" che è stata depositata in precedenza da società di telecomunicazioni e altri. Alcuni fili su un cavo più grande, ha detto Zanna, servirebbe agli scopi di un sismologo.

Zhan ha affermato che l'industria petrolifera e del gas è stata uno dei maggiori motori del nuovo metodo, mentre usavano cavi nei pozzi per monitorare i cambiamenti dei fluidi nei giacimenti petroliferi in acque profonde e durante la fratturazione idraulica e l'iniezione di acque reflue.

I ricercatori DAS ritengono che il metodo sia particolarmente promettente per il monitoraggio sismico in ambienti difficili, come l'Antartide o la luna. Con una rete regolare di sismometri, gli scienziati "hanno bisogno di proteggere e alimentare ogni nodo" di strumenti nella rete, Zan ha spiegato. "Dove per DAS, stendi un lungo filo di fibra, che è abbastanza robusto, e tutti i tuoi strumenti sensibili sono solo a un'estremità della fibra."

"Puoi immaginare che sulla luna o su qualche altro pianeta, con uno scenario ad alta radiazione o ad alta temperatura, l'elettronica potrebbe non sopravvivere così a lungo in quell'ambiente, " ha aggiunto. "Ma la fibra può."

Gli scienziati stanno già utilizzando DAS per sondare i cicli di scongelamento e congelamento nel permafrost e sui ghiacciai, per meglio caratterizzare il loro moto dinamico di colate di ghiaccio e scivolamento sul substrato roccioso, che potrebbe aiutare i ricercatori a saperne di più su come lo scioglimento dei ghiacciai causato dal cambiamento climatico contribuisce all'innalzamento del livello del mare.

Al momento, la portata della maggior parte dei sistemi DAS è compresa tra 10 e 20 chilometri. I ricercatori sperano di estenderlo nel prossimo futuro a 100 chilometri, Zan ha detto, che potrebbe essere utile per la copertura sismica in ambienti di fondo oceanico, comprese le zone di subduzione offshore.

DAS è anche adatto per una risposta rapida dopo i terremoti, specialmente nelle aree in cui la fibra scura è numerosa e i sismologi hanno preso accordi per utilizzare la fibra in anticipo. Dopo i terremoti di Ridgecrest del 2019 nel sud della California, ad esempio, Zhan e i suoi colleghi si sono mossi rapidamente per monitorare la sequenza delle scosse di assestamento nell'area utilizzando il DAS. "Abbiamo trasformato circa 50 chilometri di cavo in più di 6, 000 sensori in tre giorni, " Egli ha detto.

Se i sismologi hanno fatto il loro lavoro nell'identificare e richiedere l'accesso alle fibre in anticipo, Zan ha detto, un sistema DAS può essere implementato entro poche ore dopo un terremoto.

Una sfida nell'uso della fibra è sapere esattamente come si trova nel terreno. Con il metodo DAS, i ricercatori sanno fino a che punto lungo una fibra si trova un particolare sensore, ma se il cavo in fibra ottica è arrotolato o piegato o cedevole, i calcoli potrebbero essere errati. Per rimediare a questo, i sismologi a volte fanno un "tap test", che mappa i colpi di mazza lungo il terreno sopra il cavo con il GPS, mentre i colpi si riverberano sulla fibra per creare una sorta di immagine sonar delle sue torsioni e svolte.

I sensori DAS contengono anche più "auto-rumore" - segnali sismici di fondo che potrebbero interferire con l'identificazione di un terremoto - rispetto ai sensori sismici tradizionali, "ma francamente non sappiamo esattamente perché, " disse Zhan. Parte del rumore potrebbe provenire dagli impulsi laser interrogativi, che potrebbe non essere stabile, o dal cavo stesso. Alcuni cavi giacciono sciolti nei loro tunnel, e altri hanno più connettori in fibra, che potrebbe produrre riflessione e perdita del segnale luminoso.

"Mentre ancora nella sua infanzia, DAS si è già dimostrato il cuore operativo, o forse il timpano, di un nuovo prezioso strumento di ascolto sismico, " ha concluso Zhan.