science >> Wetenschap >  >> Natuur

Internet-glasvezel kan waardevol inzicht bieden in geologische verschijnselen

Vogelperspectief van de glasvezelkabels die werden gebruikt voor het FORESEE-project waarin wetenschappers reeds bestaande kabels gebruikten om geologische gebeurtenissen te volgen. Krediet:voorzien, Penn State

Glasvezelkabels lopen onder bijna alle stadsnetwerken in de Verenigde Staten en leveren internet en kabel-tv aan miljoenen, maar wat als die systemen ook waardevolle informatie zouden kunnen leveren met betrekking tot gevaarlijke gebeurtenissen zoals aardbevingen en overstromingen? Een team van onderzoekers van Penn State heeft ontdekt dat ze precies dat kunnen.

De wetenschappers gebruiken glasvezel-distributed akoestische sensing (DAS)-technologie om bestaande telecommunicatie-infrastructuur die al ondergronds is geïnstalleerd, om te vormen tot een waardevolle bron voor het bewaken van grondtrillingen.

"We ontdekten dat de vezels een breed scala aan signaaltrillingen konden opvangen, van onweersbuien tot menselijke looppassen tot muziekconcerten, " zei Tieyuan Zhu, assistent-professor geofysica aan Penn State en hoofdonderzoeker van het project. "We kunnen tijdens een concert zelfs het specifieke nummer onderscheiden door de patronen van de hoge en lage tonen. Dat is een mooie demonstratie van de gevoeligheid van deze sensoren."

Traditionele seismische bewakingsapparatuur, geofoons genoemd, zijn moeilijk in te zetten in stedelijke gebieden. Het verkrijgen van toestemming en ruimte om sensoren te installeren, bescherming van sensoren tegen diefstal en vandalisme, en de hoge kosten om ze te onderhouden maken het onbetaalbaar om betrouwbare langetermijngegevens te verkrijgen, zeiden de wetenschappers.

Met DAS-technologie kunnen wetenschappers aansluiten op ongebruikte glasvezel, donkere vezel genoemd, de kosten en insteltijd die traditionele seismische bewakingsapparatuur in de weg staan ​​aanzienlijk verminderen. Een laser-ondervragingseenheid hoeft alleen maar in het ene uiteinde van een stuk vezel te worden gestoken om gegevens te verzamelen, zeiden de wetenschappers.

"Verscheidene experimenten in Californië zijn uitgevoerd door teams die gebruikmaken van bestaande telecommunicatie-infrastructuur, "Zei Zhu. "Maar het inzetten van deze technologie aan de oostkust is belangrijk omdat we hier een heel speciale geologie hebben."

De bodem en het ondiepe gesteente in het Allegheny-gebergte creëren complexe geofysische eigenschappen aan het oppervlak. Het onderliggende gesteente kan langzaam oplossen door circulerend grondwater, die zinkgaten en spelonken kunnen vormen. Vooral in stedelijke gebieden, instorting van het sinkhole en afwikkelingsproblemen kunnen een bedreiging vormen voor de menselijke veiligheid en eigendommen. In aanvulling, sterke seizoensvariaties in temperatuur en neerslag creëren een heel andere omgeving dan die van Californië.

Zhu en zijn onderzoeksteam creëerden het Penn State Fiber-Optic for Environmental SENsEing (FORESEE)-project, de eerste toepassing van de DAS-technologie in het oosten van de VS. Het doel van dit project was om de al lang bestaande uitdaging aan te gaan van realtime monitoring van fysieke en ondergrondse fysieke, chemische en biologische veranderingen in stedelijke gebieden. FORESEE heeft ook tot doel de DAS-vezeldetectiearrays te ontwikkelen om de campus van Penn State University Park en de omliggende gebieden om te vormen tot een levend laboratorium voor het verzamelen van gegevens met hoge resolutie over milieu-, energie- en infrastructuursystemen. De onderzoekers rapporteren hun resultaten in vaste aarde .

Het team kreeg toegang tot donkere glasvezelkabels onder de campus en zette de kabel om naar 2, 300 seismische sensoren met DAS. Vervolgens registreerden ze vanaf april 2019 continu grondtrillingsgegevens langs het traject van 3 mijl. Het experiment genereerde vele tientallen terabytes aan gegevens. die was opgeslagen op een aan het netwerk gekoppelde opslagserver. De server was vervolgens verbonden met een internetnetwerk, de wetenschappers in realtime toegang tot gegevens op afstand bieden. De dichtheid van de DAS-opnames zorgde voor een buitengewone resolutie die inzicht in hun oorzaak mogelijk maakte en de onderzoekers in staat stelde onderscheid te maken tussen verschillende signalen, zeiden de wetenschappers.

De voorlopige resultaten suggereren dat DAS breedbandtrillingen kan detecteren en onderscheid kan maken tussen de seismische kenmerken van verschillende aardbevingen en antropogene bronnen van gebeurtenissen zoals mijnexplosies, voertuigen, muziekconcerten en loopstappen.

Maar DAS komt niet zonder beperkingen. Traditionele geofoons hebben drie componenten, twee horizontale sensoren en een verticale sensor, waardoor ze trillingen in alle richtingen kunnen opvangen. DAS-technologie, echter, kan trillingen alleen horizontaal waarnemen omdat er geen verticale sensoren nodig zijn in glasvezelkabels bedoeld voor internet en kabel. Daarom, de gegevens zijn niet zo uitgebreid als gegevens van traditionele geofoons.

"We weten dat dit een beperking is, "Zei Zhu. "Hopelijk in de komende vijf jaar, dit kan worden ondervangen door nieuwe glasvezeltechnologie."

Naast de geologische toepassingen, DAS kan inzicht geven in verschillende patronen van menselijke activiteiten die relevant zijn voor de volksgezondheid en stadsplanning. Verkeersbewaking en omleiding waarvoor geen privégegevens van mobiele telefoons nodig zijn, geweerschot detectie, monitoring van industriële geluidshinder en monitoring van ondergrondse waterleidingen kunnen allemaal worden verbeterd door het gebruik van DAS-technologie, zeiden de wetenschappers. De waarde van DAS is ook erkend in ontoegankelijke en ruwe omgevingen, waardoor offshore oceaanobservaties en de mogelijkheid om de stabiliteit van de permafrost in het noordpoolgebied te bewaken.

Nu de onderzoekers weten wat de technologie kan, Zhu zei dat hun volgende stap het gebruik van DAS is om kleinere evenementen op de lange termijn te volgen, zoals de ondergrondse bewegingen die leiden tot sinkholes en overstromingen. Ze willen ook kijken naar de gebeurtenissen die plaatsvinden waar de atmosfeer de aarde ontmoet, aangezien er momenteel geen manier is om te controleren hoe de energie van een onweersbui het nabije oppervlak van de vaste aarde beïnvloedt.

"DAS-arrays die gebruikmaken van bestaande telecommunicatievezels kunnen een steeds grotere rol spelen bij de ontwikkeling van veerkrachtige, duurzame steden, ' zei Zhu.