Migliaia di chilometri di fibre ottiche interrate attraversano l'area della baia di San Francisco in California, offrendo Internet ad alta velocità e video HD a case e aziende.

Biondo Biondi, un professore di geofisica alla School of Earth di Stanford, Scienze energetiche e ambientali, sogna di trasformare quella fitta rete in un economico osservatorio di "miliardi di sensori" per monitorare e studiare continuamente i terremoti.

Durante l'ultimo anno, Il gruppo di Biondi ha dimostrato che è possibile convertire le oscillazioni dei trefoli di fibre ottiche perturbate in informazioni sulla direzione e la magnitudo degli eventi sismici.

I ricercatori hanno registrato quelle oscillazioni sismiche in un circuito di 3 miglia di fibra ottica installato sotto il campus della Stanford University con strumenti chiamati interrogatori laser forniti dalla società OptaSense, che è coautore di pubblicazioni relative alla ricerca.

"Possiamo ascoltare continuamente - e sentire bene - la Terra utilizzando fibre ottiche preesistenti che sono state dispiegate per scopi di telecomunicazione, " ha detto Biondi.

Attualmente i ricercatori monitorano i terremoti con i sismometri, che sono più sensibili dell'array di telecomunicazioni proposto, ma la loro copertura è scarsa e possono essere impegnativi e costosi da installare e mantenere, soprattutto nelle aree urbane.

Al contrario, un osservatorio sismico come quello proposto da Biondi sarebbe relativamente economico da gestire. "Ogni metro di fibra ottica nella nostra rete agisce come un sensore e costa meno di un dollaro da installare, " ha detto Biondi. "Non sarai mai in grado di creare una rete utilizzando sismometri convenzionali con quel tipo di copertura, densità e prezzo."

Tale rete consentirebbe agli scienziati di studiare i terremoti, soprattutto quelli più piccoli, in modo più dettagliato e individuarne le fonti più rapidamente di quanto sia attualmente possibile. Una maggiore copertura del sensore consentirebbe anche misurazioni a risoluzione più elevata delle risposte del suolo alle scosse.

"Gli ingegneri civili potrebbero prendere ciò che apprendono su come edifici e ponti rispondono a piccoli terremoti dalla matrice di miliardi di sensori e utilizzare tali informazioni per progettare edifici in grado di resistere a maggiori scosse, " ha detto Eileen Martin, uno studente laureato nel laboratorio di Biondi.

Dal backscatter al segnale

Le fibre ottiche sono sottili fili di vetro puro dello spessore di un capello umano. In genere sono raggruppati insieme per creare cavi che trasmettono segnali di dati su lunghe distanze convertendo i segnali elettronici in luce.

Biondi non è la prima a pensare di utilizzare le fibre ottiche per monitorare l'ambiente. Una tecnologia nota come rilevamento acustico distribuito (DAS) monitora già lo stato di salute di condutture e pozzi nell'industria petrolifera e del gas.

"Il funzionamento del DAS è che mentre la luce viaggia lungo la fibra, incontra varie impurità nel bicchiere e rimbalza indietro, " disse Martin. "Se la fibra fosse completamente ferma, quel segnale di "retrodiffusione" sarebbe sempre lo stesso. Ma se la fibra inizia ad allungarsi in alcune aree, a causa di vibrazioni o deformazioni, il segnale cambia".

Precedente implementazione di questo tipo di rilevamento acustico, però, richiedeva che le fibre ottiche fossero fissate in modo costoso a una superficie o racchiuse nel cemento per massimizzare il contatto con il suolo e garantire la massima qualità dei dati. In contrasto, Il progetto di Biondi sotto Stanford, soprannominato osservatorio sismico in fibra ottica, utilizza le stesse fibre ottiche delle società di telecomunicazioni, che giacciono non protetti e fluttuanti all'interno di tubazioni di plastica vuote.

"La gente non credeva che avrebbe funzionato, " Martin ha detto. "Hanno sempre pensato che una fibra ottica disaccoppiata avrebbe generato troppo rumore di segnale per essere utile".

Ma da quando l'osservatorio sismico in fibra ottica di Stanford è entrato in funzione nel settembre 2016, ha registrato e catalogato più di 800 eventi, che vanno da eventi artificiali e piccoli, a malapena sentivo le scosse locali a potenti, catastrofi mortali come i recenti terremoti che hanno colpito più di 2, 000 miglia di distanza in Messico. In un esperimento particolarmente rivelatore, la rete sotterranea ha raccolto i segnali di due piccoli terremoti locali con magnitudo 1,6 e 1,8.

"Come previsto, entrambi i terremoti hanno avuto la stessa forma d'onda, o modello, perché provenivano dallo stesso luogo, ma l'ampiezza del terremoto più grande era più grande, "Ha detto Biondi. "Questo dimostra che l'osservatorio sismico in fibra ottica può distinguere correttamente tra terremoti di diversa magnitudo".

In modo cruciale, l'array ha anche rilevato e distinto tra due diversi tipi di onde che viaggiano attraverso la Terra, chiamate onde P e S. "Uno dei nostri obiettivi è contribuire a un sistema di allerta precoce dei terremoti. Ciò richiederà la capacità di rilevare le onde P, che sono generalmente meno dannose delle onde S ma arrivano molto prima, " disse Martino.

L'osservatorio sismico in fibra ottica di Stanford è solo il primo passo verso lo sviluppo di una rete sismica a livello della Bay Area, Biondi ha detto e ci sono ancora molti ostacoli da superare, come dimostrare che l'array può operare su scala cittadina.