Duizenden kilometers begraven optische vezels doorkruisen de San Francisco Bay Area in Californië en leveren snel internet en HD-video aan huizen en bedrijven.

Biondo Biondi, een professor in geofysica aan Stanford's School of Earth, Energie &Milieuwetenschappen, droomt ervan om van dat dichte netwerk een goedkoop "miljard sensoren"-observatorium te maken voor het continu monitoren en bestuderen van aardbevingen.

Het afgelopen jaar, Biondi's groep heeft aangetoond dat het mogelijk is om het schudden van verstoorde glasvezelstrengen om te zetten in informatie over de richting en omvang van seismische gebeurtenissen.

De onderzoekers hebben die seismische trillingen opgenomen in een lus van 3 mijl van optische vezels die onder de campus van Stanford University is geïnstalleerd met instrumenten die laserondervragers worden genoemd, geleverd door het bedrijf OptaSense, die co-auteur is van publicaties over het onderzoek.

"We kunnen continu naar de aarde luisteren - en goed horen - met behulp van reeds bestaande optische vezels die zijn ingezet voor telecomdoeleinden, ' zei Biondi.

Momenteel volgen onderzoekers aardbevingen met seismometers, die gevoeliger zijn dan de voorgestelde telecomarray, maar hun dekking is schaars en ze kunnen uitdagend en duur zijn om te installeren en te onderhouden, vooral in stedelijke gebieden.

Daarentegen, een seismisch observatorium zoals dat van Biondi voorstelt, zou relatief goedkoop te exploiteren zijn. "Elke meter glasvezel in ons netwerk werkt als een sensor en kost minder dan een dollar om te installeren, "Biondi zei. "Je zult nooit een netwerk kunnen maken met conventionele seismometers met dat soort dekking, dichtheid en prijs."

Een dergelijk netwerk zou wetenschappers in staat stellen aardbevingen te bestuderen, vooral kleinere, gedetailleerder worden en hun bronnen sneller lokaliseren dan momenteel mogelijk is. Een grotere sensordekking zou ook metingen van grondreacties op schudden met een hogere resolutie mogelijk maken.

"Civiele ingenieurs zouden kunnen gebruiken wat ze leren over hoe gebouwen en bruggen reageren op kleine aardbevingen van de miljard-sensoren-array en die informatie gebruiken om gebouwen te ontwerpen die bestand zijn tegen grotere trillingen, " zei Eileen Martin, een afgestudeerde student in het laboratorium van Biondi.

Van terugverstrooiing naar signaal

Optische vezels zijn dunne strengen van puur glas met de dikte van een mensenhaar. Ze worden meestal samengebundeld om kabels te maken die gegevenssignalen over lange afstanden verzenden door elektronische signalen om te zetten in licht.

Biondi is niet de eerste die zich voorstelt om optische vezels te gebruiken om het milieu te monitoren. Een technologie die bekend staat als gedistribueerde akoestische detectie (DAS) bewaakt al de gezondheid van pijpleidingen en putten in de olie- en gasindustrie.

"Hoe DAS werkt, is dat als het licht langs de vezel reist, het ontmoet verschillende onzuiverheden in het glas en stuitert terug, Martin zei. "Als de vezel helemaal stationair zou zijn, dat 'backscatter'-signaal zou er altijd hetzelfde uitzien. Maar als de vezel in sommige gebieden begint uit te rekken - als gevolg van trillingen of spanning - verandert het signaal."

Eerdere implementatie van dit soort akoestische detectie, echter, vereiste dat optische vezels duur op een oppervlak werden bevestigd of in cement werden omhuld om het contact met de grond te maximaliseren en de hoogste gegevenskwaliteit te garanderen. In tegenstelling tot, Biondi's project onder Stanford - ook wel het seismisch observatorium voor optische vezels genoemd - maakt gebruik van dezelfde optische vezels als telecombedrijven, die onbeveiligd en vrij zwevend in holle plastic leidingen liggen.

"Mensen geloofden niet dat dit zou werken, Martin zei. "Ze gingen er altijd van uit dat een ontkoppelde optische vezel te veel signaalruis zou genereren om bruikbaar te zijn."

Maar sinds het seismische observatorium voor glasvezel in Stanford in september 2016 in gebruik werd genomen, het heeft meer dan 800 evenementen geregistreerd en gecatalogiseerd, variërend van door de mens gemaakte evenementen en kleine, voelde nauwelijks lokale temblors te krachtig, dodelijke rampen zoals de recente aardbevingen die meer dan 2 troffen, 000 mijl verderop in Mexico. In een bijzonder onthullend experiment, de ondergrondse array pikte signalen op van twee kleine lokale aardbevingen met een kracht van 1,6 en 1,8.

"Zoals verwacht, beide aardbevingen hadden dezelfde golfvorm, of patroon, omdat ze uit dezelfde plaats komen, maar de amplitude van de grotere aardbeving was groter, " Zei Biondi. "Dit toont aan dat het seismische observatorium van glasvezel correct onderscheid kan maken tussen aardbevingen van verschillende grootte."

Cruciaal, de array heeft ook twee verschillende soorten golven gedetecteerd en onderscheiden die door de aarde reizen, P- en S-golven genoemd. "Een van onze doelen is om bij te dragen aan een vroegtijdig waarschuwingssysteem voor aardbevingen. Dat vereist de mogelijkheid om P-golven te detecteren, die over het algemeen minder schadelijk zijn dan S-golven, maar veel eerder aankomen, ' zei Martijn.

Het seismische observatorium voor glasvezel in Stanford is slechts de eerste stap in de richting van de ontwikkeling van een seismisch netwerk voor de hele Bay Area. Biondi zei, en er zijn nog veel hindernissen te overwinnen, zoals aantonen dat de array op stadsbrede schaal kan werken.