使用水下电信电缆检测地震

潜艇电缆

CALTECH的地震医生在谷歌使用光学专家上使用了一种使用现有的水下电信电缆来检测地震的方法。该技术可能导致世界各地改善地震和海啸预警系统。

庞大的网络超过一百万公里的光纤电缆位于地球的海洋底部。在20世纪80年代,电信公司和政府开始铺设这些电缆,每个电缆都可以跨越数千公里。今天,全球网络被认为是国际电信的骨干。

科学家长期以来寻求一种方法来使用这些淹没的电缆来监测地震性。毕竟,超过70%的地球被水覆盖,安装,监控和运行水下地震仪是极其困难和昂贵的,以跟踪海洋下方的地球运动。研究人员所说的是理想的,是通过利用已经沿着海底的基础设施来监测地震性。

以前使用光纤来研究地震性的努力已经依赖于添加复杂的科学仪器和/或使用所谓的“暗纤维”,这些光纤电缆未受积极使用。

Now Zhongwen Zhan (PhD ’13), assistant professor of geophysics at Caltech, and his colleagues have come up with a way to analyze the light traveling through “lit” fibers—in other words, existing and functioning submarine cables—to detect earthquakes and ocean waves without the need for any additional equipment. They describe the new method in the February 26 issue of the journal科学

“这种新技术可以真正将大多数潜艇电缆转化为几千公里的地球物理传感器,以便在未来检测地震和可能的海啸,”詹说。“我们相信这是第一个监测海底地震性的解决方案,可以在世界各地实施。它可以补充现有的地面震动计和海啸监测浮标网络,以便在许多情况下越来越快地检测潜艇地震和海啸。“

电缆网络通过使用激光器,通过在电缆内捆绑在电缆内捆绑的玻璃纤维发送信息脉冲,以便在另一端以每秒200,000公里的速度提供数据。为了使电缆的最佳用途 - 也就是说,要在它们上方可以在它们上传送多大信息 - 操作员监视器的一部分是在纤维内行进的光的偏振。与通过偏振滤光器的其他光一样,激光是极化的意义,其电场仅在一个方向上振荡而不是任何方式。控制电场的方向可以允许多个信号同时通过相同的光纤行进。在接收端,设备检查每个信号的偏振状态,以了解它如何沿电缆的路径改变,以确保信号没有变化。

在他们的工作中,研究人员专注于居里电缆,一条潜艇光缆沿着洛杉矶到瓦尔帕莱索,智利的洛杉矶的太平洋东部边缘超过10,000公里。(虽然Zhan表示,该技术可用于许多人纵横交错的潜艇电缆。)

在陆地上,各种干扰,例如温度甚至雷击撞击的变化,都可以改变通过光纤电缆行驶的光的极化。因为深海中的温度仍然差异几乎是恒定的,因为那里有很多扰乱,所以从居里电缆的一端的极化变化随着时间的推移,詹和他的同事仍然存在相当稳定。

然而,在地震和风暴产生大海浪时,极化突然和显着变化,允许研究人员轻松识别数据中的此类事件。

目前,当地震发生海上发生时,地震波可能需要几分钟的时间来达到陆地的地震仪,甚至更长时间才能验证任何海啸波。使用新技术,潜艇电缆的整个长度在难以监测位置中的单个传感器。偏振可以每秒频繁测量为20次。这意味着如果靠近特定区域的地震罢工,则可以在几秒钟内交付给潜在受影响的地区的警告。

在新研究中报告的九个月(2019年12月至2020年12月)中,研究人员沿着居里电缆检测到约20个中等到大地震,包括1月份牙买加的大小 - 7.7地震28,2020。

虽然在研究期间没有检测到海啸,但研究人员能够检测起源于南海的海洋膨胀产生的极化变化。他们认为,在这些事件中观察到的极化的变化是由海底的压力变化引起的,因为强大的波浪通过电缆传播。“这意味着我们可以探测海浪,所以有一天我们能够检测到海啸浪潮是合理的,”詹说。

詹和他的同事现在正在开发一种机器学习算法,该算法将能够通过地震或海浪而不是对系统的其他改变来确定检测到的极化变化,例如船舶或螃蟹移动电缆。他们期望整个检测和通知过程可以自动化以提供关键信息,除了全球陆基地震仪网络和海洋评估深海评估和海啸(DART)系统的报告中的浮标,operated by the National Oceanic and Atmospheric Administration’s National Data Buoy Center.

参考:中文詹,Mattia Cantono,Valey Kamalov,Antonio Mecozzi,RafaelMüller,沉云和豪尔辛C. Castellanos,2021年2月26日的“光学偏振 - 电缆上的光学偏振片震动和水波感应。科学
DOI:10.1126 / science.abe6648

詹的共同作者包括CALTECH研究生Jorge C. Castellanos(MS '18);谷歌研究人员Mattia Cantono,Valey Kamalov,Rafael Muller,以及沉寅;和意大利L'Aquila大学的安东尼奥·梅祖祖。

CALTECH的研究由戈登和贝蒂摩尔基金会提供资金。

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