Kolme siistiä kiintolevyjen tornia seisoo Shan Dou -pöydällä. Vain muutamassa kuukaudessa täytettyinä ne sisältävät noin 500 teratavua seismisiä tietoja. Se on mielestäni hämmästyttävän suuri tietomäärä kerätä ja käsitellä - hiukan enemmän kuin nykyään seismisten tietojen kansallisessa arkistossa, jonka arkisto on vuodelta 1970.
Mistä kaikki nämä tiedot katoavat? Vastaus on jalkojesi alla: kuituoptiikka.
Dou on tutkijatohtori Lawrence Berkeleyn kansallisessa laboratoriossa, jonka tehtävänä on laittaa tuhansia kilometrejä kuituoptisia kaapeleita, jotka kulkevat ympäri maailmaa, käytettäväksi maantieteellisessä vaaratilanteessa - maanvyörymien, ikiroudan romahdusten, syvennysten ja jopa injektoidun hiilidioksidin muutosten seurannassa. Mutta uudessa tutkimuksessa, joka perustui Douin perustyöhön ja julkaistiin viime kuussa Geophysical Research Letters -lehdessä, tutkijat keskittyivät kuitujen mahdollisuuksiin ja monipuolisuuteen havaita yksi tietty vaara: maanjäristykset.
Pienten vapinajen havaitsemiseksi maassa tutkijat käyttävät yleensä herkkiä instrumentteja, joita kutsutaan seismometereiksi. Mutta jokainen näistä yksiköistä voi olla kallista asentaa ja vaikea ylläpitää. Ja niitä ei aina voida käyttää, selittää Nate Lindsey, tohtoriopiskelija Kalifornian yliopistossa, Berkeley's Seismological Lab ja uuden tutkimuksen pääkirjailija. "On alueita, joissa saattaa olla tärkeää laittaa seismometri - ajattelen merellä, ajattelen kaupunkialueita - missä se on ... vaikea logistiikan ja turvallisuuden kannalta", hän sanoo.
Nate Lindsey leikkaa kaapelin Richmond Field Stationilta (kohteliaasti Jonathan Ajo-Franklin) Sieltä kuituoptiikka - ja tietovuoret - tulevat sisään. Tuhannet kuituoptiset linjat kulkevat maamme läpi, ulottuen jopa valtamereihin. Joten jos tutkijat voivat käyttää tätä järjestelmää maanjäristyksen tarkkailuun, se tarjoaa ennennäkemättömän määrän tietoa, sanoo Dou, joka työskenteli Lindseyn kanssa UC Berkeleyssä valmistellessaan tohtorinsa.
Ajatus on melko yksinkertainen. Monet valokuituyritykset asentavat enemmän valokuitukaapeleita kuin tarvitsevat, mikä johtaa ns. "Tummien kuitujen" järjestelmään - kuituihin, jotka on niputettu maanalaisiin putkiin -, joita voidaan käyttää vaihtoehtoisiin tarkoituksiin, kuten maanjäristyksen havaitsemiseen. Mutta kukin näistä valokuitujohdoista on epätäydellinen. Kun säteilet valoa yksittäisiä kuituoptisia säieitä pitkin, nämä rakenteen epätäydellisyydet palautuvat takaisin vain murto-osan valosta. Tutkijat voivat kiinnittää niin sanotun laserinterferometrin linjan toiseen päähän lähettääkseen ja mittaamaan näihin palautettuihin kimaltelejiin, havaitseviin pieniin puristuksiin tai kaapeleiden pidennyksiin maan värähtelyjen takia.
"Jokainen verkon optisen kuidun metri toimii kuin anturi ja asennuksen kustannukset ovat vähemmän kuin dollari", Stanfordin geofyysikko ja uuden paperin kirjoittaja Biondo Biondi sanoo lehdistötiedotteessa. "Et koskaan voi luoda verkkoa tavanomaisilla seismometereillä, joilla on sellainen peitto, tiheys ja hinta."
"Se on sen kauneus", Dou selittää. "Meidän ei tarvitse tehdä mitään erityistä, vaan ostaa vain jotain, joka on jo laajalti saatavana televiestinnälle."
Mutta näiden kuitujen tarkka selvittäminen maanjäristyksen havaitsemiseksi vie hieman enemmän työtä. Yksi iso tuntematon on herkkyys. Tämä kuituoptiikan käyttö maan värähtelyjen mittaamiseen syntyi öljy- ja kaasuteollisuudesta, joka käytti linjoja putkilinjojen ja kaivojen tarkkailuun - kuuntelemalla lähestymisessä olevien ajoneuvojen melua. Mutta näitä tarkoituksia varten kuituoptiikka yleensä “kytketään” tai sementoidaan maahan, mikä johtaa maapallon jyrsinnän ja tärinän tehokkaampaan siirtoon kuituihin.
"Ihmiset eivät uskoneet, että tämä toimisi", sanoo Eileen Martin, Biondin laboratorion jatko-opiskelija ja toinen kirjailija. "He ovat aina olettaneet, että kytketty optinen kuitu tuottaa liian paljon signaalimelua ollakseen hyödyllinen." Mutta Stanfordin, UC Berkeleyn ja Berkeley National Labin yhteistyönä tehdyt alustavat testit ovat lupaavia.
UC Berkeleyn tutkijat ovat työskennelleet kuituoptiikan avulla maanpinnan tarkkailuun viiden vuoden ajan, tallentaen ympäristön melut, kuten autojen ohittaminen kuitujen kanssa, tutkiakseen tärkeiden ominaisuuksien, kuten vesitason, muutoksia. (Syyskuussa ryhmä julkaisi tämän työn yhteistyössä Yhdysvaltojen armeijan kylmien alueiden tutkimus- ja tekniikkalaboratorion tutkijoiden kanssa Alaskassa ja Stanfordin yliopistossa lehdessä Scientific Reports . ) Tutkijat vertasivat uutta kuituoptisen potentiaalin tutkimusta maanjäristyksen seuraamiseksi. maanjäristyksen havainnot käyttämällä kolmea erilaista kuituoptisia ryhmiä, mukaan lukien haudatut kuituoptiset linjat lähellä Alaskan Fairbanksia, haudattu L-muotoisia linjoja Richmondiin, Kalifornia, ja kuvio-8-silmukka, joka on asennettu olemassa olevaan tietoliikenneyhteyteen, joka kulkee Stanfordin kampuksella.
Jonathan Ajo-Franklin (vas.) Asentaa kokeellisen kuituoptisen testiryhmän Richmondin kenttäasemalle. (Kohteliaisuus Jonathan Ajo-Franklin) Joukkue on kirjannut sarjan tapahtumia kaikissa kolmessa järjestelmässä. Pelkästään Stanford-silmukassa tutkijat ovat luetteloineet yli 800 valaisinta tiedonkeruun alkamisen jälkeen syyskuussa 2016 poimien signaalit tiedoista tapahtumien jälkeen. "Voimme nähdä heitä Meksikosta, Italiasta, Oklahomasta ... samoin kuin pikkuisia pieniä Stanfordin kampuksella", Biondi sanoo.
Kartta osoittaa 3 mailin, kuvan 8 optisten kuitujen silmukan sijainnin, joka on asennettu Stanfordin kampuksen alle osana kuituoptista seismisessä observatoriossa. (Stamen Design ja Victoria and Albert Museum) Tulokset ovat kaiken kaikkiaan rohkaisevia. Kuten Biondi sanoo, "potentiaalisesti kaikki kappaleet ovat siellä", mutta järjestelmän työstämiseen on tehtävä enemmän työtä.
Tällä hetkellä Lindsey ja hänen tiiminsä testaavat kuituoptiikan ominaisuuksia 13 mailin päässä tummasta kuidusta Sacramentossa, Kaliforniassa, jonka omistaa Level 3 Communications -yritys, jonka CenturyLink osti äskettäin. He vertaa mitattua signaaliaan perinteisiin seismometreihin.
"Vertailu on hyvä", Lindsey sanoo. "Valokuitutunnistuksen etujen ja haittojen ymmärtämiseksi ja selventämiseksi on vielä paljon tutkimusta. Kuituoptisessa anturissa on signaali, joka on melutasoa korkeampi, ja se on hyödyllinen." He valmistelevat käsikirjoitusta tästä projektista julkaistavaksi vertaisarvioidussa lehdessä ensi kuussa.
Herkkyys on edelleen huolestuttava valokuituisen maanjäristyksen havaitsemisen laajassa käytössä. "Tällä hetkellä kuidulla on yleensä alhaisempi herkkyys kuin tavanomaisella seismometrillä", Dou sanoo. Muut kollegat, hän toteaa, tutkivat parhaillaan tapoja parantaa kuituoptisten tunnistusominaisuuksia. Nykyisten televerkkojen asennusolosuhteista on myös paljon tuntemattomia. Pienet tweaksit, kuten esimerkiksi valokuitukaapelien lukumäärä johdossa, voivat vaikuttaa havaitsemiseen ja siten kuidun kykyyn välittää tarkkoja tietoja maanjäristyksistä.
Yhtä tärkeätä on tarve kehittää menetelmiä tällaisten suurten tietomäärien käsittelemiseksi ja analysoimiseksi reaaliajassa. "Se on hieno leikkikenttä, jonka kanssa työskennellä", Lindsey sanoo. "Mutta odotan sitä päivää, jolloin opiskelijoiden ei tarvitse viedä kiintolevylaukkuja tällaisen ongelman ratkaisemiseksi."
Uuden järjestelmän kustannukset ovat edelleen huolenaihe Clay Kirkendallille, joka on merivoimien tutkija, joka on työskennellyt kuituoptisten antureiden kanssa viimeiset 20 vuotta. "Tietysti kuidut ovat jo olemassa, ja se on iso osa kustannuksista", sanoo Kirkendall, joka ei ollut osa tutkimusta. Mutta tarvitset silti laitetta, joka heikentää valoa linjoilta ja mittaa palautuvia signaaleja - ja tämän järjestelmän näkökulmasta hyppääminen voi uhrata herkkyyden, hän sanoo. On epäselvää, kuinka paljon korkealaatuiset laserkyselyt maksavat tällä hetkellä, mutta Biondi toivoo, että tekniikan edistyessä näiden järjestelmien kustannukset laskevat.
Jos tutkijat pystyvät selvittämään nämä piilot, kuituoptiikka voisi tarjota ratkaisun maanjäristyksen seurannan moniin haasteisiin. Tämä tekniikka voisi olla erityisen hyödyllinen parannettaessa järjestelmiä, jotka varoittavat yhteisöjä läheisistä maanjäristyksistä antamaan heille vain murto-osan lisäajasta valmistautuaksesi räjähdykseen. Tällaisten verkkojen positiiviset vaikutukset ja epäonnistumiset korostettiin aiemmin tänä vuonna Meksikon järistyssarjoissa.
Kuituoptisessa seismisessä observatoriossa onnistuneesti havaittiin Meksikon keskustaan 8. syyskuuta 2017 kohdistunut 8, 2 voimakkuuden maanjäristys. (Siyuan Yuan) Meksikon seisminen hälytysjärjestelmä eli SASMEX on ensimmäinen varhaisvaroitusjärjestelmä, joka ilmoittaa yleisölle odotettavissa olevista maanjäristyksistä. Seismometrimerkki, instrumentti, jota käytetään perinteisesti maanjäristysten, maan pilkkuosien ja vapinaiden seurantaan. Heti kun tämä verkko rekisteröi jotain tarpeeksi suurta mahdollisia huolenaiheita varten, varoitus sammuu, mikä voi antaa sekunneista täyden minuutin ilmoituksen saapuvasta iskusta.
Lindsey painottaa, että ajatuksena ei ole korvata nykyisiä järjestelmiä - "parhaimmillaan [kuituoptiikka] ei ehkä ole yhtä hyvä kuin paras seismometri", hän huomauttaa - vaan pikemminkin parantaa niitä. "Näemme kuituoptisen seismologian olevan hieno tapa täydentää maanjäristyksen varhaisvaroitusmenetelmiä, joita rakennetaan nyt planeetan ympärille", hän sanoo.
Vaikka tämän toteuttamiseksi on vielä paljon tehtävää, tutkijaryhmät ja monet yliopistot ovat tässä asiassa. "Tämä on todellakin suurempi pyrkimys", Dou sanoo, että CalTechin joukkue työskentelee samanlaisten tummankuituprojektien parissa.
"Se on nopeasti kehittyvä ala, ja olemme vain onnekkaita olemaan uranuurtavassa asemassa", hän sanoo.
