I cavi in ​​fibra ottica passano sotto quasi tutte le reti urbane degli Stati Uniti e forniscono Internet e TV via cavo a milioni di persone, ma cosa accadrebbe se quei sistemi potessero anche fornire preziose informazioni relative a eventi pericolosi come terremoti e inondazioni? Un team di ricercatori della Penn State ha scoperto di poter fare proprio questo.

Gli scienziati stanno utilizzando la tecnologia di rilevamento acustico distribuito (DAS) in fibra ottica per trasformare l'infrastruttura di telecomunicazioni esistente, già installata nel sottosuolo, in una risorsa preziosa per il monitoraggio delle vibrazioni del suolo.

"Abbiamo scoperto che le fibre potevano captare un'ampia varietà di vibrazioni del segnale, dai temporali ai passi umani ai concerti di musica, " disse Tieyuan Zhu, assistente professore di geofisica alla Penn State e ricercatore principale del progetto. "Possiamo persino distinguere la canzone specifica in un concerto dagli schemi dei toni alti e bassi. Questa è una grande dimostrazione della sensibilità di questi sensori".

Dispositivi di monitoraggio sismico tradizionali, chiamati geofoni, sono difficili da implementare nelle aree urbane. Ottenere il permesso e lo spazio per installare i sensori, proteggere i sensori da furti e atti vandalici, e gli alti costi per mantenerli rendono proibitivo ottenere dati affidabili a lungo termine, hanno detto gli scienziati.

La tecnologia DAS consente agli scienziati di collegarsi alla fibra inutilizzata, chiamata fibra scura, riducendo notevolmente i costi e i tempi di installazione che ostacolano i tradizionali dispositivi di monitoraggio sismico. Un'unità di interrogazione laser deve semplicemente essere collegata a un'estremità di un tratto di fibra per iniziare a raccogliere dati, hanno detto gli scienziati.

"Diversi esperimenti in California sono stati condotti da squadre utilizzando l'infrastruttura di telecomunicazioni esistente, " ha detto Zhu. "Ma l'implementazione di questa tecnologia sulla costa orientale è importante perché qui abbiamo una geologia molto speciale".

Il suolo e il substrato roccioso poco profondo nella regione dei Monti Allegheny creano complesse proprietà geofisiche vicino alla superficie. Il substrato roccioso sottostante può dissolversi lentamente a causa della circolazione delle acque sotterranee, che possono formare doline e caverne. Soprattutto nelle aree urbane, Il crollo della dolina e i problemi di risoluzione possono minacciare la sicurezza e la proprietà umana. Inoltre, forti variazioni stagionali di temperatura e precipitazioni creano un ambiente molto diverso da quello della California.

Zhu e il suo team di ricerca hanno creato il progetto Penn State Fiber-Optic for Environmental SEnsEing (FORESEE), il primo dispiegamento della tecnologia DAS negli Stati Uniti orientali. L'obiettivo di questo progetto era affrontare la sfida di lunga data del monitoraggio in tempo reale dell'ambiente e del sottosuolo fisico, cambiamenti chimici e biologici nelle aree urbane. FORESEE mira inoltre a sviluppare gli array di sensori in fibra DAS per trasformare il campus del Penn State University Park e le aree circostanti in un laboratorio vivente per la raccolta di dati ad alta risoluzione su fattori ambientali, sistemi energetici e infrastrutturali. I ricercatori riportano i loro risultati in Terra solida .

Il team ha ottenuto l'accesso a cavi in ​​fibra ottica scuri sotto il campus e ha convertito il cavo in 2, 300 sensori sismici che utilizzano DAS. Hanno quindi registrato continuamente i dati sulle vibrazioni del suolo lungo il tratto di 3 miglia a partire da aprile 2019. L'esperimento ha generato molte decine di terabyte di dati, che è stato archiviato in un server di archiviazione collegato alla rete. Il server è stato quindi connesso a una rete Internet, fornendo agli scienziati l'accesso remoto ai dati in tempo reale. La densità delle registrazioni DAS ha fornito una risoluzione straordinaria che ha permesso di approfondire la loro causa e ha permesso ai ricercatori di distinguere tra vari segnali, hanno detto gli scienziati.

I risultati preliminari suggeriscono che DAS ha la capacità di rilevare le vibrazioni a banda larga e discriminare tra le firme sismiche di diversi terremoti e fonti antropogeniche da eventi come esplosioni minerarie, veicoli, concerti di musica e passi a piedi.

Ma DAS non è esente da limitazioni. I geofoni tradizionali hanno tre componenti, due sensori orizzontali e un sensore verticale, permettendo loro di catturare le vibrazioni in tutte le direzioni. tecnologia DAS, però, è in grado di rilevare le vibrazioni solo orizzontalmente poiché non sono necessari sensori verticali nei cavi in ​​fibra ottica destinati a Internet e via cavo. Perciò, i dati non sono così completi come quelli dei geofoni tradizionali.

"Sappiamo che questo è un limite, " Zhu ha detto. "Si spera che nei prossimi cinque anni, questo può essere superato con la nuova tecnologia in fibra ottica".

Oltre ai suoi usi geologici, DAS può fornire informazioni su diversi modelli di attività umane rilevanti per la salute pubblica e la pianificazione urbana. Monitoraggio e reindirizzamento del traffico che non richiedono dati di telefoni cellulari privati, rilevamento di colpi di arma da fuoco, il monitoraggio dell'inquinamento acustico industriale e il monitoraggio delle acque sotterranee possono essere migliorati attraverso l'uso della tecnologia DAS, hanno detto gli scienziati. Il valore di DAS è stato riconosciuto anche in ambienti inaccessibili e difficili, consentendo osservazioni oceaniche offshore e la capacità di monitorare la stabilità del permafrost nell'Artico.

Ora che i ricercatori sanno cosa può fare la tecnologia, Zhu ha detto che il loro prossimo passo è usare DAS per monitorare eventi più piccoli a lungo termine, come i movimenti sotterranei che portano a doline e allagamenti. Vogliono anche esaminare gli eventi che si verificano dove l'atmosfera incontra la terra poiché attualmente non c'è modo di monitorare l'impatto dell'energia di un temporale sulla superficie vicina della terra solida.

"Gli array DAS che utilizzano le fibre di telecomunicazione esistenti possono svolgere un ruolo crescente nello sviluppo di sistemi resilienti, città sostenibili, " Disse Zhu.