I sismologi del Caltech, in collaborazione con esperti di ottica di Google, hanno sviluppato un metodo per utilizzare i cavi di telecomunicazione sottomarini esistenti per rilevare i terremoti. La tecnica potrebbe portare a sistemi di allerta per terremoti e tsunami migliorati in tutto il mondo.

Una vasta rete di oltre un milione di chilometri di cavi in ​​fibra ottica si trova sul fondo degli oceani della Terra. Negli anni '80, le società di telecomunicazioni e i governi hanno iniziato a posare questi cavi, ognuno dei quali può estendersi per migliaia di chilometri. Oggi, la rete globale è considerata la spina dorsale delle telecomunicazioni internazionali.

Gli scienziati hanno cercato a lungo un modo per utilizzare quei cavi sommersi per monitorare la sismicità. Dopotutto, più del 70 per cento del globo è coperto da acqua, ed è estremamente difficile e costoso da installare, tenere sotto controllo, ed eseguire sismometri subacquei per tenere traccia dei movimenti della terra sotto i mari. Quale sarebbe l'ideale, dicono i ricercatori, consiste nel monitorare la sismicità avvalendosi delle infrastrutture già esistenti lungo i fondali oceanici.

I precedenti tentativi di utilizzare le fibre ottiche per studiare la sismicità si sono basati sull'aggiunta di sofisticati strumenti scientifici e/o sull'uso delle cosiddette "fibre scure, " cavi in ​​fibra ottica che non vengono utilizzati attivamente.

Ora Zhongwen Zhan (Ph.D. '13), assistente professore di geofisica al Caltech, e i suoi colleghi hanno escogitato un modo per analizzare la luce che viaggia attraverso le fibre "accese", in altre parole, cavi sottomarini esistenti e funzionanti, per rilevare terremoti e onde oceaniche senza la necessità di apparecchiature aggiuntive. Descrivono il nuovo metodo nel numero del 26 febbraio della rivista Scienza .

"Questa nuova tecnica può davvero convertire la maggior parte dei cavi sottomarini in sensori geofisici lunghi migliaia di chilometri per rilevare terremoti e possibilmente tsunami in futuro, " dice Zhan. "Riteniamo che questa sia la prima soluzione per il monitoraggio della sismicità sul fondo dell'oceano che potrebbe essere attuata in modo fattibile in tutto il mondo. Potrebbe integrare la rete esistente di sismometri a terra e boe per il monitoraggio degli tsunami per rendere molto più veloce il rilevamento di terremoti e tsunami sottomarini in molti casi".

Le reti via cavo funzionano attraverso l'uso di laser che inviano impulsi di informazioni attraverso fibre di vetro raggruppate all'interno dei cavi per fornire dati a velocità superiori a 200, 000 chilometri al secondo ai ricevitori all'altra estremità. Per fare un uso ottimale dei cavi, ovvero per trasferire quante più informazioni possibili attraverso di loro:una delle cose che gli operatori monitorano è la polarizzazione della luce che viaggia all'interno delle fibre. Come altra luce che passa attraverso un filtro polarizzatore, la luce laser è polarizzata, il che significa che il suo campo elettrico oscilla in una sola direzione piuttosto che in qualsiasi direzione. Il controllo della direzione del campo elettrico può consentire a più segnali di viaggiare contemporaneamente attraverso la stessa fibra. Alla fine della ricezione, i dispositivi controllano lo stato di polarizzazione di ogni segnale per vedere come è cambiato lungo il percorso del cavo per assicurarsi che i segnali non si mescolino.

Nel loro lavoro, i ricercatori si sono concentrati sul cavo Curie, un cavo sottomarino in fibra ottica che si estende per più di 10, 000 chilometri lungo il bordo orientale dell'Oceano Pacifico da Los Angeles a Valparaiso, Chile. (Sebbene Zhan affermi che la tecnica potrebbe essere utilizzata su molte delle centinaia di cavi sottomarini che attraversano il mondo.)

Sulla terra, ogni sorta di disturbo, come sbalzi di temperatura e persino fulmini, può modificare la polarizzazione della luce che viaggia attraverso i cavi in ​​fibra ottica. Poiché la temperatura nell'oceano profondo rimane quasi costante e poiché ci sono così poche perturbazioni lì, il cambiamento di polarizzazione da un capo all'altro del cavo Curie rimane abbastanza stabile nel tempo, Zhan ei suoi colleghi hanno trovato.

Però, durante i terremoti e quando le tempeste producono grandi onde oceaniche, la polarizzazione cambia improvvisamente e drammaticamente, consentendo ai ricercatori di identificare facilmente tali eventi nei dati.

Attualmente, quando i terremoti si verificano a miglia al largo, possono volerci minuti prima che le onde sismiche raggiungano i sismometri terrestri e anche di più per verificare eventuali onde di tsunami. Utilizzando la nuova tecnica, l'intera lunghezza di un cavo sottomarino agisce come un singolo sensore in una posizione difficile da monitorare. La polarizzazione può essere misurata fino a 20 volte al secondo. Ciò significa che se un terremoto colpisce vicino a una determinata area, un avviso potrebbe essere inviato alle aree potenzialmente interessate in pochi secondi.

Durante i nove mesi di sperimentazione riportati nel nuovo studio (tra dicembre 2019 e settembre 2020), i ricercatori hanno rilevato circa 20 terremoti da moderati a grandi lungo il cavo Curie, compreso il terremoto di magnitudo 7.7 che ha avuto luogo al largo della Giamaica il 28 gennaio, 2020.

Sebbene non siano stati rilevati tsunami durante lo studio, i ricercatori sono stati in grado di rilevare i cambiamenti nella polarizzazione prodotti dalle onde oceaniche che hanno avuto origine nell'Oceano Antartico. Ritengono che i cambiamenti nella polarizzazione osservati durante quegli eventi siano stati causati da cambiamenti di pressione lungo il fondo del mare mentre onde potenti hanno viaggiato oltre il cavo. "Ciò significa che possiamo rilevare le onde oceaniche, quindi è plausibile che un giorno saremo in grado di rilevare le onde dello tsunami, " dice Zhan.

Zhan and his colleagues at Caltech are now developing a machine learning algorithm that would be able to determine whether detected changes in polarization are produced by earthquakes or ocean waves rather than some other change to the system, such as a ship or crab moving the cable. They expect that the entire detection and notification process could be automated to provide critical information in addition to the data already collected by the global network of land-based seismometers and the buoys in the Deep-ocean Assessment and Reporting of Tsunamis (DART) system, operated by the National Oceanic and Atmospheric Administration's National Data Buoy Center.

Il nuovo Scienza paper is titled "Optical polarization-based seismic and water wave sensing on transoceanic cables."