Drie nette torens van harde schijven staan op het bureau van Shan Dou. Gevuld in slechts een paar maanden, bevatten ze ongeveer 500 terabytes aan seismische gegevens. Het is een verbijsterend grote hoeveelheid gegevens om te verzamelen en te verwerken - iets meer dan de hoeveelheid die momenteel wordt bewaard in de nationale repository van seismische gegevens, die een archief heeft daterend uit 1970.
Waar komt al deze informatie vandaan? Het antwoord ligt onder je voeten: glasvezel.
Dou is een postdoctoraal onderzoeker bij het Lawrence Berkeley National Laboratory en probeert de duizenden kilometers glasvezelkabels die de hele wereld doorkruisen te gebruiken voor geohazardbewustzijn - het monitoren van aardverschuivingen, permafrostafzettingen, zinkgaten en zelfs veranderingen in geïnjecteerd koolstofdioxide. Maar in een nieuwe studie, gebaseerd op het fundamentele werk van Dou en vorige maand gepubliceerd in het tijdschrift Geophysical Research Letters, gingen onderzoekers in op het potentieel en de veelzijdigheid van de vezels om een bepaald gevaar te detecteren: aardbevingen.
Om de kleine trillingen in de grond te detecteren, gebruiken onderzoekers vaak gevoelige instrumenten die seismometers worden genoemd. Maar elk van deze eenheden kan duur zijn om te installeren en moeilijk te onderhouden. En ze zijn niet altijd haalbaar om te gebruiken, legt Nate Lindsey, een promovendus aan de University of California, Berkeley's Seismological Lab en hoofdauteur van de nieuwe studie uit. "Er zijn gebieden waar het belangrijk kan zijn om een seismometer te plaatsen - ik denk offshore, ik denk stedelijke gebieden - waar het ... moeilijk is vanuit een logistiek oogpunt en vanuit een beveiligingsstandpunt", zegt hij.
Nate Lindsey snijdt kabel bij het Richmond Field Station (Courtesy Jonathan Ajo-Franklin) Dat is waar glasvezel - en de bergen data - binnenkomen. Duizenden glasvezellijnen doorkruisen ons land, zelfs tot in de oceanen. Dus als onderzoekers dit systeem kunnen gebruiken voor aardbevingmonitoring, biedt het een ongekende hoeveelheid informatie, zegt Dou, die met Lindsey bij UC Berkeley samenwerkte tijdens haar promotie.
Het idee is vrij eenvoudig. Veel glasvezelbedrijven installeren meer glasvezelkabels dan ze nodig hebben, wat resulteert in een systeem van zogenaamde "donkere vezels" - vezels gebundeld in ondergrondse leidingen - die kunnen worden gebruikt voor alternatieve doeleinden, zoals aardbevingsdetectie. Maar elk van deze glasvezellijnen is imperfect. Wanneer u een licht langs de afzonderlijke glasvezelstrengen straalt, stuiteren deze onvolkomenheden in de structuur een fractie van het licht terug. Onderzoekers kunnen aan een uiteinde van de lijn een zogenaamde laserinterferometer aanbrengen om veranderingen in deze teruggekaatste glimmers te verzenden en te meten, waarbij kleine compressies of verlengingen van de kabels worden opgemerkt als gevolg van trillingen van de grond.
"Elke meter glasvezel in ons netwerk werkt als een sensor en kost minder dan een dollar om te installeren", zegt Biondo Biondi, een geofysicus bij Stanford en auteur van het nieuwe artikel, in een persbericht. "Je zult nooit een netwerk kunnen creëren met conventionele seismometers met dat soort dekking, dichtheid en prijs."
"Dat is het mooie ervan, " legt Dou uit, "we hoeven niets speciaals te maken, gewoon iets kopen dat al breed beschikbaar is voor telecommunicatie."
Maar om erachter te komen hoe die vezels precies moeten worden gebruikt voor aardbevingdetectie, is iets meer werk nodig. Een grote onbekende is gevoeligheid. Dit gebruik van glasvezel voor het meten van trillingen in de grond kwam voort uit de olie- en gasindustrie, die de leidingen gebruikte om pijpleidingen en putten te bewaken - door dingen te doen zoals luisteren naar het gerommel van naderende voertuigen. Maar voor deze doeleinden worden de glasvezeloptieken meestal 'gekoppeld' of in de grond gecementeerd, wat resulteert in een efficiëntere overdracht van de bromtrommels en trillingen van de aarde naar de vezels.
"Mensen geloofden niet dat dit zou werken", zegt Eileen Martin, een afgestudeerde student in het laboratorium van Biondi en een andere auteur op het papier. "Ze gingen er altijd van uit dat een ontkoppelde optische vezel te veel signaalruis zou genereren om bruikbaar te zijn." Maar de eerste tests die werden uitgevoerd als een samenwerking tussen Stanford, UC Berkeley en Berkeley National Lab zijn veelbelovend.
De onderzoekers van UC Berkeley werken al vijf jaar aan het gebruik van glasvezel om de ondergrond te monitoren en omgevingsgeluiden op te nemen, zoals het passeren van auto's met de vezels om de veranderingen in belangrijke functies, zoals de waterspiegel, te bestuderen. (In september publiceerde het team dit werk in samenwerking met wetenschappers van het US Army Cold Regions Research & Engineering Laboratory in Alaska en Stanford University in het tijdschrift Scientific Reports . ) Voor de nieuwe studie van het vezeloptisch potentieel voor aardbevingmonitoring vergeleken de wetenschappers aardbevingobservaties met behulp van drie verschillende glasvezelreeksen, waaronder begraven glasvezellijnen in de buurt van Fairbanks, Alaska, begraven L-vormige lijnen in Richmond, Californië, en een cijfer-8 lus geïnstalleerd in een bestaande telecommunicatieleiding die onder de campus van Stanford loopt.
Jonathan Ajo-Franklin (links) installeert een experimentele testreeks met optische vezels op het Richmond Field Station. (Courtesy Jonathan Ajo-Franklin) Het team heeft een reeks evenementen vastgelegd in alle drie de systemen. Alleen al in de Stanford-lus hebben onderzoekers sinds het begin van de gegevensverzameling in september 2016 meer dan 800 temblors gecatalogiseerd, waarbij de signalen in gegevens worden uitgezocht nadat de gebeurtenissen zijn verlopen. "We kunnen ze zien uit Mexico, uit Italië, uit Oklahoma ... en heel kleine op de campus van Stanford, " zegt Biondi.
Kaart toont de locatie van een 3-mijl, figuur-8 lus van optische vezels geïnstalleerd onder de Stanford-campus als onderdeel van het seismisch observatorium voor optische vezels. (Stamen Design en het Victoria and Albert Museum) Over het algemeen zijn de resultaten bemoedigend. Zoals Biondi zegt, "mogelijk zijn alle stukken aanwezig", maar er moet meer gebeuren om het systeem in werking te stellen.
Momenteel testen Lindsey en zijn team de mogelijkheden van glasvezel in 13-mijls donkere vezel in Sacramento, Californië, eigendom van het bedrijf Level 3 Communications, dat onlangs werd gekocht door CenturyLink. Ze vergelijken hun gemeten signaal met traditionele seismometers.
"De vergelijking is goed", zegt Lindsey. "Er moet nog veel meer onderzoek worden gedaan om de voor- en nadelen van glasvezeldetectie te begrijpen en op te helderen. Maar er zit een signaal in de glasvezelsensor dat het ruisniveau overschrijdt en dat is handig." Ze bereiden een manuscript over dit project voor om volgende maand in te dienen voor publicatie in een peer-reviewed tijdschrift.
Gevoeligheid is nog steeds een punt van zorg voor de wijdverbreide toepassing van aardbeving met optische vezels. "Momenteel heeft vezel meestal een lagere gevoeligheid dan conventionele seismometer", zegt Dou. Andere collega's, merkt ze op, onderzoeken momenteel manieren om de mogelijkheden van glasvezeldetectie te verbeteren. Er zijn ook veel onbekenden over de installatievoorwaarden van bestaande telecommunicatienetwerken. Kleine aanpassingen, zoals het aantal glasvezelkabels in een leiding, kunnen de detectie beïnvloeden en daarmee het vermogen van de vezel om nauwkeurige informatie over aardbevingen door te geven.
Even belangrijk is de noodzaak om methoden te ontwikkelen om zulke grote hoeveelheden gegevens in realtime te verwerken en te analyseren. "Het is een geweldige speelplaats voor gegevens om mee te werken", zegt Lindsey. "Maar ik kijk uit naar de dag dat studenten geen koffers van harde schijven nodig hebben om dit soort problemen op te lossen."
Voor Clay Kirkendall, een onderzoeker bij de marine die de afgelopen 20 jaar met optische vezelsensoren heeft gewerkt, blijft de kosten een punt van zorg met het nieuwe systeem. "Zeker, de vezels zijn er al en dat is een groot deel van de kosten", zegt Kirkendall, die geen deel uitmaakte van de studie. Maar je hebt nog steeds een apparaat nodig om het licht langs de lijnen te laten stuiteren en de terugkerende signalen te meten - en skimpen op dit aspect van het systeem kan de gevoeligheid opofferen, zegt hij. Het is onduidelijk hoeveel hoogwaardige laserondervragers op dit moment zullen kosten, maar Biondi hoopt dat naarmate de technologie vordert, de kosten van die systemen zullen dalen.
Als de onderzoekers die knikken kunnen oplossen, zou glasvezel een oplossing kunnen bieden voor de vele uitdagingen van aardbevingsmonitoring. Deze technologie kan met name nuttig zijn bij het verbeteren van systemen die gemeenschappen waarschuwen voor nabijgelegen aardbevingen om hen slechts een fractie van extra tijd te geven om zich voor te bereiden op de schok. De positieve effecten - en mislukkingen - van dergelijke netwerken werden eerder dit jaar benadrukt in de reeks aardbevingen in Mexico.
Het seismische observatorium met optische vezel heeft met succes de aardbeving met een kracht van 8, 2 gedetecteerd die Midden-Mexico op 8 september 2017 trof. (Siyuan Yuan) Het Mexicaanse seismische waarschuwingssysteem, of SASMEX, is het eerste systeem voor vroegtijdige waarschuwing dat het publiek op de hoogte brengt van aardbevingen. Een netwerk van seismometers, het instrument dat traditioneel werd gebruikt om aardbevingen te monitoren, spikkels in het land, monitoring op tremoren. Zodra dit netwerk iets registreert dat groot genoeg is voor mogelijke bezorgdheid, gaat de waarschuwing uit, die van seconden tot een hele minuut kennisgeving kan geven bij de binnenkomende schok.
Lindsey benadrukt dat het niet de bedoeling is bestaande systemen te vervangen - 'op zijn best [glasvezel] is misschien niet zo goed als de beste seismometer', merkt hij op - maar eerder om ze te verbeteren. "We zien seismologie van glasvezel als een geweldige manier om technieken voor vroegtijdige waarschuwing voor aardbevingen aan te vullen, die nu overal ter wereld worden opgebouwd", zegt hij.
Hoewel er nog veel meer werk te doen is om dit voor elkaar te krijgen, zijn teams van onderzoekers en veel universiteiten aan de orde. "Dit is echt een grotere inspanning", zegt Dou, en merkt op dat een team van CalTech werkt aan vergelijkbare donkere vezelprojecten.
"Het is een snel evoluerend veld, en we hebben gewoon het geluk dat we een pionierspositie hebben", zegt ze.
