Tre pene tårn med harddisker står på skrivebordet til Shan Dou. På noen få måneder inneholder de rundt 500 terabyte seismiske data. Det er en overveldende massiv mengde data å samle inn og behandle - litt mer enn mengden som for øyeblikket ligger i det nasjonale depot for seismiske data, som har et arkiv som dateres tilbake til 1970.
Hvor strømmer all denne informasjonen fra? Svaret ligger under føttene dine: fiberoptikk.
Dou er postdoktorisk forsker ved Lawrence Berkeley National Laboratory som jobber for å sette de tusenvis av kilometer med fiberoptiske kabler som krysser verden for å bruke dem i geohazard-bevissthet - overvåkning av skred, permafrost-nedganger, synkehull og til og med endringer i injisert karbondioksid. Men i en ny studie, basert på Dos grunnleggende arbeid og publisert forrige måned i tidsskriftet Geophysical Research Letters, forsket forskerne på potensialet og allsidigheten til fibrene for å oppdage en spesiell fare: jordskjelv.
For å oppdage de små skjelvingene i bakken, bruker forskere ofte sensitive instrumenter som kalles seismometre. Men hver av disse enhetene kan være dyre å installere og vanskelige å vedlikeholde. Og de er ikke alltid mulig å bruke, forklarer Nate Lindsey, doktorgradsstudent ved University of California, Berkeleys Seismological Lab og hovedforfatter på den nye studien. "Det er områder der det kan være viktig å sette et seismometer - jeg tenker offshore, jeg tenker urbane områder - der det er ... vanskelig fra et logistisk synspunkt og fra et sikkerhetsmessig synspunkt, " sier han.
Nate Lindsey trimmer kabel på Richmond Field Station (høflighet Jonathan Ajo-Franklin) Det er der fiberoptikk - og fjellene av data - kommer inn. Tusenvis av fiberoptiske linjer krysser landet vårt, til og med strekker seg ut i havene. Så hvis forskere kan utnytte dette systemet for overvåking av jordskjelv, tilbyr det en enestående mengde informasjon, sier Dou, som jobbet med Lindsey ved UC Berkeley mens hun avsluttet doktorgraden.
Ideen er ganske enkel. Mange fiberoptiske selskaper installerer flere fiberoptiske kabler enn de trenger, noe som resulterer i et system med såkalte "mørke fibre" - fibre samlet i underjordiske ledninger - som kan brukes til alternative formål, for eksempel jordskjelvfølelse. Men hver av disse fiberoptiske linjene er ufullkomne. Når du stråler et lys nedover de enkelte fiberoptiske trådene, spretter disse ufullkommenhetene i strukturen tilbake en brøkdel av lyset. Forskere kan feste det som er kjent som et laserinterferometer i den ene enden av linjen for å sende og måle endringer i disse returnerte glimmere, kresne minuttkompresjoner eller forlengelser av kablene på grunn av vibrasjoner i bakken.
"Hver meter optisk fiber i nettverket vårt fungerer som en sensor og koster mindre enn en dollar å installere, " sier Biondo Biondi, geofysiker i Stanford og forfatter av det nye papiret, i en pressemelding. "Du vil aldri kunne opprette et nettverk ved bruk av konvensjonelle seismometre med den slags dekning, tetthet og pris."
"Det er det fine, " forklarer Dou, "vi trenger ikke å gjøre noe spesielt, bare kjøpe noe som allerede er allment tilgjengelig for telekommunikasjon."
Men å finne ut nøyaktig hvordan du bruker disse fibrene til jordskjelvsporing krever litt mer arbeid. En stor ukjent er følsomhet. Denne bruken av fiberoptikk for måling av vibrasjoner i bakken kom fra olje- og gassindustrien, som brukte linjene til å overvåke rørledninger og brønner - ved å gjøre ting som å lytte til brusen for å nærme kjøretøyer. Men for disse formålene er fiberoptikken vanligvis "koblet" eller sementert i bakken, noe som resulterer i en mer effektiv overføring av jordens brumler og rister til fibrene.
"Folk trodde ikke at dette ville fungere, " sier Eileen Martin, en doktorgradsstudent på Biondis laboratorium og en annen forfatter på papiret. "De antok alltid at en ikke-tilkoblet optisk fiber ville generere for mye signalstøy til å være nyttig." Men de første testene som ble utført som et samarbeid mellom Stanford, UC Berkeley og Berkeley National Lab er lovende.
UC Berkeley-forskerne har jobbet med å bruke fiberoptikk for å overvåke undergrunnen i fem år, og registrerte omgivelseslyder som å passere biler med fibrene for å studere endringene i viktige funksjoner, for eksempel vannbordet. (I september publiserte teamet dette arbeidet i samarbeid med forskere ved US Army Cold Regions Research & Engineering Laboratory i Alaska og Stanford University i tidsskriftet Scientific Reports . ) For den nye studien av fiberoptisk potensial for jordskjelvovervåkning, sammenlignet forskerne observasjoner av jordskjelv ved bruk av tre forskjellige fiberoptiske arrays, inkludert nedgravde fiberoptiske linjer i nærheten av Fairbanks, Alaska, begravde L-formede linjer i Richmond, California, og en figur-8-sløyfe installert i en eksisterende telekommunikasjonsrørledning som går under Stanfords campus.
Jonathan Ajo-Franklin (til venstre) installerer en eksperimentell fiberoptisk testgruppe på Richmond Field Station. (Høflighet Jonathan Ajo-Franklin) Teamet har spilt inn en rekke hendelser i alle tre systemene. Bare i Stanford-løkken har forskere katalogisert mer enn 800 skjemmer siden datainnsamlingen begynte i september 2016, og plukket ut signalene i dataene etter hendelsene. "Vi kan se dem fra Mexico, fra Italia, fra Oklahoma ... så vel som små små på Stanford-campus, " sier Biondi.
Kartet viser plasseringen av en 3-kilometer, figur 8-sløyfe med optiske fibre installert under Stanford-campus som en del av det fiberoptiske seismiske observatorium. (Stamen Design og Victoria and Albert Museum) Totalt sett er resultatene oppmuntrende. Som Biondi sier, "potensielt alle brikkene er der, " men mer arbeid må skje for å sette systemet i verk.
For øyeblikket tester Lindsey og teamet hans funksjonene til fiberoptikk i 13 mil mørk fiber i Sacramento, California, eid av selskapet Level 3 Communications, som nylig ble kjøpt av CenturyLink. De sammenligner det målte signalet med tradisjonelle seismometre.
"Sammenligningen er god, " sier Lindsey. "Det er mye mer forskning som må gjøres for å forstå og tydeliggjøre fordeler og ulemper ved fiberoptisk sensing. Men det er signal i den fiberoptiske sensoren som er over støynivået, og det er nyttig." De forbereder et manuskript for dette prosjektet som skal sendes inn for publisering i en fagfellevurdert tidsskrift neste måned.
Følsomhet er fremdeles av bekymring for utbredt anvendelse av sensorisk jordskjelvsmåling. "For øyeblikket har fiber en tendens til å ha lavere følsomhet enn vanlig seismometer, " sier Dou. Andre kolleger, konstaterer hun, undersøker for tiden måter å forbedre sensoren for fiberoptisk føling. Det er også mange ukjente om installasjonsforholdene til eksisterende telenett. Små justeringer, som antall fiberoptiske kabler i en ledning, kan påvirke deteksjon og dermed fiberens evne til å videresende nøyaktig informasjon om jordskjelv.
Like viktig er behovet for å utvikle metoder for å behandle og analysere så store datamengder i sanntid. "Det er en flott lekeplass for data å jobbe med, " sier Lindsey. "Men jeg ser frem til dagen da det ikke tar studentene kofferter med harddisker for å løse denne typen problemer."
For Clay Kirkendall, en forsker med marinen som har jobbet med fiberoptiske sensorer de siste 20 årene, er kostnadene fortsatt en bekymring for det nye systemet. "Visst er fibrene allerede der, og det er en stor del av kostnadene, " sier Kirkendall, som ikke var en del av studien. Men du trenger fremdeles en enhet for å sprette lys nedover linjene og måle de signalene som kommer tilbake - og å snuble på dette aspektet av systemet kan ofre følsomhet, sier han. Det er uklart hvor mye laseravhør av høy kvalitet vil koste for øyeblikket, men Biondi håper at når teknologien går fremover, vil kostnadene for disse systemene avta.
Hvis forskerne kan utarbeide disse knekkene, kan fiberoptikk tilby en løsning på de mange utfordringene med jordskjelvovervåking. Denne teknologien kan være spesielt nyttig for å forbedre systemer som advarer lokalsamfunn om jordskjelv i nærheten for å gi dem bare en brøkdel av ekstra tid til å forberede seg til støt. De positive effektene - og sviktene - av slike nettverk ble vektlagt tidligere i år i Mexicos skjelvserie.
Det fiberoptiske seismiske observatoriet oppdaget vellykket jordskjelvet med en styrke på 8, 2 som rammet det sentrale Mexico 8. september 2017. (Siyuan Yuan) Det meksikanske seismiske varslingssystemet, eller SASMEX, er det første system for tidlig varsling som varsler publikum om påvente jordskjelv. Et nettverk av seismometre, instrumentet som tradisjonelt ble brukt til å overvåke jordskjelv, flekkdeler av landet, overvåking for skjelvinger. Så snart dette nettverket registrerer noe stort nok for potensiell bekymring, går advarselen ut, som kan gi alt fra sekunder til et helt minutt varsel om den innkommende støt.
Lindsey understreker at ideen ikke er å erstatte eksisterende systemer - "på sitt beste [fiberoptikk] kanskje ikke er så bra som det beste seismometeret, " bemerker han - men snarere å forbedre dem. "Vi ser fiberoptisk seismologi som en flott måte å utfylle varslingsteknikker for jordskjelv, som er bygget opp nå rundt planeten, " sier han.
Selv om det fortsatt er mye mer arbeid å gjøre for å få dette til, er team av forskere og mange universiteter på saken. "Dette er egentlig et større forsøk, " sier Dou og merker at et team på CalTech jobber med lignende mørke fiberprosjekter.
"Det er et raskt utviklende felt, og vi er bare heldige som i en foregangsstilling, " sier hun.
