Seismologen van Caltech hebben samen met optica-experts van Google een methode ontwikkeld om bestaande telecommunicatiekabels onder water te gebruiken om aardbevingen te detecteren. De techniek zou kunnen leiden tot verbeterde waarschuwingssystemen voor aardbevingen en tsunami's over de hele wereld.

Op de bodem van de oceanen van de aarde ligt een enorm netwerk van meer dan een miljoen kilometer glasvezelkabel. In 1980, telecommunicatiebedrijven en overheden begonnen deze kabels te leggen, die elk duizenden kilometers kunnen overspannen. Vandaag, het wereldwijde netwerk wordt beschouwd als de ruggengraat van de internationale telecommunicatie.

Wetenschappers hebben lang gezocht naar een manier om die ondergedompelde kabels te gebruiken om seismische activiteit te bewaken. Ten slotte, meer dan 70 procent van de wereld is bedekt met water, en het is buitengewoon moeilijk en duur om te installeren, toezicht houden op, en voer onderwaterseismometers uit om de bewegingen van de aarde onder de zeeën bij te houden. Wat zou ideaal zijn, onderzoekers zeggen, is het monitoren van seismische activiteit door gebruik te maken van de reeds aanwezige infrastructuur langs de oceaanbodem.

Eerdere pogingen om optische vezels te gebruiken om seismische activiteit te bestuderen, waren gebaseerd op de toevoeging van geavanceerde wetenschappelijke instrumenten en/of het gebruik van zogenaamde "donkere vezels, " glasvezelkabels die niet actief worden gebruikt.

Nu Zhongwen Zhan (Ph.D. '13), assistent-professor geofysica bij Caltech, en zijn collega's hebben een manier bedacht om het licht te analyseren dat door "verlichte" vezels reist - met andere woorden, bestaande en functionerende onderzeese kabels - om aardbevingen en oceaangolven te detecteren zonder dat er extra apparatuur nodig is. Ze beschrijven de nieuwe methode in het nummer van 26 februari van het tijdschrift Wetenschap .

"Deze nieuwe techniek kan de meeste onderzeese kabels echt omzetten in geofysische sensoren die duizenden kilometers lang zijn om aardbevingen en mogelijk tsunami's in de toekomst te detecteren, " zegt Zhan. "Wij geloven dat dit de eerste oplossing is voor het monitoren van seismische activiteit op de oceaanbodem die mogelijk over de hele wereld kan worden geïmplementeerd. Het zou een aanvulling kunnen zijn op het bestaande netwerk van seismometers op de grond en boeien voor het monitoren van tsunami's om de detectie van onderzeese aardbevingen en tsunami's in veel gevallen veel sneller te maken."

De kabelnetwerken werken door het gebruik van lasers die informatiepulsen verzenden door glasvezels die in de kabels zijn gebundeld om gegevens te leveren met snelheden hoger dan 200, 000 kilometer per seconde naar ontvangers aan de andere kant. Om optimaal gebruik te maken van de kabels, dat wil zeggen om er zoveel mogelijk informatie over te dragen - een van de dingen die operators in de gaten houden, is de polarisatie van het licht dat zich binnen de vezels voortplant. Net als ander licht dat door een polarisatiefilter gaat, laserlicht is gepolariseerd - wat betekent, het elektrische veld oscilleert in slechts één richting in plaats van op welke manier dan ook. Door de richting van het elektrische veld te regelen, kunnen meerdere signalen tegelijkertijd door dezelfde vezel reizen. Aan de ontvangende kant, apparaten controleren de polarisatiestatus van elk signaal om te zien hoe het is veranderd langs het pad van de kabel om er zeker van te zijn dat de signalen niet worden gemengd.

In hun werk, de onderzoekers concentreerden zich op de Curie-kabel, een onderzeese glasvezelkabel met een lengte van meer dan 10, 000 kilometer langs de oostelijke rand van de Stille Oceaan van Los Angeles tot Valparaiso, Chili. (Hoewel Zhan zegt dat de techniek kan worden gebruikt op veel van de honderden onderzeese kabels die de wereld doorkruisen.)

Op het land, allerlei storingen, zoals veranderingen in temperatuur en zelfs blikseminslagen, kan de polarisatie van licht dat door glasvezelkabels reist veranderen. Omdat de temperatuur in de diepe oceaan vrijwel constant blijft en er zo weinig verstoringen zijn, de verandering in polarisatie van het ene uiteinde van de Curie-kabel naar het andere blijft vrij stabiel in de tijd, Zhan en zijn collega's gevonden.

Echter, tijdens aardbevingen en wanneer stormen grote oceaangolven veroorzaken, de polarisatie verandert plotseling en dramatisch, waardoor de onderzoekers dergelijke gebeurtenissen gemakkelijk in de gegevens kunnen identificeren.

Momenteel, wanneer aardbevingen kilometers uit de kust plaatsvinden, het kan minuten duren voordat de seismische golven seismometers op het land bereiken en zelfs langer voordat eventuele tsunami-golven worden geverifieerd. Door gebruik te maken van de nieuwe techniek, de gehele lengte van een onderzeese kabel fungeert als een enkele sensor op een moeilijk te controleren locatie. Polarisatie kan tot wel 20 keer per seconde worden gemeten. Dat betekent dat als een aardbeving dichtbij een bepaald gebied toeslaat, een waarschuwing kan binnen enkele seconden worden afgegeven aan de mogelijk getroffen gebieden.

Tijdens de negen maanden van testen gerapporteerd in de nieuwe studie (tussen december 2019 en september 2020), de onderzoekers ontdekten ongeveer 20 matige tot grote aardbevingen langs de Curie-kabel, inclusief de aardbeving met een kracht van 7,7 op de schaal van Richter die op 28 januari voor de kust van Jamaica plaatsvond, 2020.

Hoewel er tijdens het onderzoek geen tsunami's werden gedetecteerd, de onderzoekers waren in staat om veranderingen in polarisatie te detecteren die werden veroorzaakt door oceaangolven die hun oorsprong vonden in de Zuidelijke Oceaan. Ze geloven dat de veranderingen in polarisatie die tijdens die gebeurtenissen werden waargenomen, werden veroorzaakt door drukveranderingen langs de zeebodem terwijl krachtige golven langs de kabel reisden. "Dit betekent dat we oceaangolven kunnen detecteren, dus het is aannemelijk dat we op een dag tsunami-golven zullen kunnen detecteren, " zegt Zhan.

Zhan and his colleagues at Caltech are now developing a machine learning algorithm that would be able to determine whether detected changes in polarization are produced by earthquakes or ocean waves rather than some other change to the system, such as a ship or crab moving the cable. They expect that the entire detection and notification process could be automated to provide critical information in addition to the data already collected by the global network of land-based seismometers and the buoys in the Deep-ocean Assessment and Reporting of Tsunamis (DART) system, operated by the National Oceanic and Atmospheric Administration's National Data Buoy Center.

De nieuwe Wetenschap paper is titled "Optical polarization-based seismic and water wave sensing on transoceanic cables."