Światło laserowe biegnące światłowodem (wizualizacja) dostarcza niezwykle precyzyjnych danych o drganiach podłoża. Światło laserowe biegnące światłowodem (wizualizacja) dostarcza niezwykle precyzyjnych danych o drganiach podłoża. Getty Images
Technologia

Nowe zadanie dla ciemnych światłowodów

Kable światłowodowe pod miastami, nad lodowcami i na dnie morza można wykorzystać do badania wstrząsów sejsmicznych.

Obserwuj nas. Pulsar na Facebooku:

www.facebook.com/projektpulsar

W Sekcji Archeo w Pulsarze prezentujemy archiwalne teksty ze „Świata Nauki” i „Wiedzy i Życia”. Wciąż aktualne, intrygujące i inspirujące.


Celeste Labedz usłyszała dźwięk podobny do grzmotu. Znajdowała się właśnie na alaskańskim lodowcu Taku, utworzonym przez olbrzymie masy zlodowaciałego śniegu na przełęczy pomiędzy dwoma pobliskimi szczytami, kiedy nastąpił wstrząs sejsmiczny, który spowodował nagły ruch lodu. Natychmiast rzuciła się do swojego laptopa i zapisała czas zdarzenia. Labedz, magistrantka z California Institute of Technology, przybyła na lodowiec razem z grupą innych studentów, aby położyć tam światłowód, który ma w przyszłości posłużyć do obserwacji podobnych wstrząsów za pomocą nowej, obiecującej techniki badawczej, która robi furorę w geologii i naukach pokrewnych.

Informacje podróżują światłowodem zakodowane w postaci impulsów laserowych. Większość fotonów biegnie wprost do celu cienkim jak włos włóknem szklanym, ale niewielka ich część trafia po drodze na mikroskopijne defekty w światłowodzie i rozprasza się wstecz, w kierunku źródła. Prawdopodobieństwo odbicia zmienia się, kiedy światłowód jest rozciągany lub wyginany na skutek drgań podłoża spowodowanych wstrząsami sejsmicznymi, a nawet przejeżdżającymi w pobliżu samochodami. Obserwując zmiany natężenia rozproszonego wstecz światła, naukowcy potrafią dokonać ilościowej oceny ruchu otoczenia światłowodu. Technika opracowana przeszło 10 lat temu na potrzeby górnictwa naftowego, rozproszone wykrywanie akustyczne (DAS – distributed acoustic sensing), na dobre wkroczyła niedawno w nauki przyrodnicze „Środowisko DAS dosłownie eksplodowało na przestrzeni ostatnich paru lat” – wyjaśnia Jonathan Ajo-Franklin, geofizyk z Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL). Konferencja zorganizowana w grudniu minionego roku przez American Geophysical Union zgromadziła naukowców używających tej techniki do obrazowania lodowców, monitorowania burz i badania głębin oceanów.

Pierwsza zaleta DAS wynika wprost z długości światłowodów, która zwykle wynosi wiele kilometrów: jedno włókno może zastąpić sieć złożoną z tysięcy czujników. Zwykły sejsmometr rejestruje drgania tylko w jednym punkcie, a to nie wystarcza, aby ocenić zjawiska zachodzące w głębi Ziemi. Kiedy góra św. Heleny zaczęła drżeć przed katastrofalną eksplozją w 1980 roku, fakt, że w pobliżu działał tylko jeden sejsmometr, uniemożliwił badaczom rozstrzygnięcie, czy wstrząsy były spowodowane przez budzący się do życia wulkan. „Porównajmy to do lamp ulicznych – wyjaśnia Nathaniel Lindsey, magistrant wydziału nauk o Ziemi i planetach w LBNL. – Mając kilka latarni do oświetlenia obszaru całego wulkanu, nie zobaczymy zbyt wiele.”

Drugą zaletą jest rozpowszechnienie sieci światłowodowych, które dziś obejmują znaczną część globu. O ile badania w niektórych miejscach, jak chociażby na lodowcu Taku, wymagają położenia nowych światłowodów, o tyle gdzie indziej, w miastach i dnie morskim, mamy wiele kabli nieużywanych światłowodów i takich, które można łatwo zaadaptować na potrzeby DAS. Duża dostępność to skutek boomu sieciowego lat 90., kiedy to firmy telekomunikacyjne instalowały długie odcinki światłowodów zapasowych, które pozostały ciemne, ponieważ nie wykorzystano ich do przesyłania danych. W takim przypadku naukowcy mogą podłączyć jeden z końców światłowodu do urządzenia pomiarowego, które wysyła impulsy laserowe, a następnie analizuje rozproszone odbicia, i nowa sieć do pomiarów sejsmicznych jest gotowa.

W ubiegłym roku Tieyuan Zhu, geofizyk z Pennsylvania State University, wykorzystał nieużywane włókna sieci światłowodowej znajdujące się pod kampusem, w nadziei znalezienia jakichś subtelnych drgań. Był bardzo zaskoczony, kiedy okazało się, że liczne wstrząsy pojawiły się w nocy, kiedy nad okolicą przetaczała się burza. Chociaż naukowcy od dawna wiedzieli, że drgania powietrza towarzyszące intensywnym dźwiękom mogą wywoływać wstrząsy powierzchni Ziemi, nie było wcale jasne, czy nowa technika pozwoli wykryć grzmoty towarzyszące wyładowaniom atmosferycznym. Kiedy jednak Zhu porównał wyniki swoich pomiarów z danymi uzyskanymi z NASA, odpowiedź była jednoznaczna. „Uważam, że wykorzystanie techniki na obszarach zurbanizowanych ma olbrzymi potencjał – przekonuje. – Nie chodzi tu tylko o monitorowanie wstrząsów sejsmicznych, ale także różnych zagrożeń geologicznych [jak osunięcia ziemi i tsunami] oraz zjawisk atmosferycznych.”

Inni naukowcy patrzą w jeszcze dalszą przyszłość. W listopadzie minionego roku w Science opublikowano wyniki badań, które przeprowadził Lindsey, wykorzystując 20-kilometrowy kabel światłowodowy ułożony na dnie Zatoki Monterey w celu przesyłania danych między zainstalowaną tam aparaturą naukową. Obserwacje DAS stały się możliwe, ponieważ system pomiarowy, którego częścią jest światłowód, wyłączono na cztery dni w celu przeprowadzenia niezbędnych prac konserwacyjnych. W tak krótkim czasie udało się zmapować liczne strefy uskoków na dnie zatoki oraz zbadać drgania dna spowodowane falowaniem na powierzchni. Dokładniejsza znajomość dna morskiego pomoże naukowcom w skuteczniejszym przewidywaniu podmorskich wstrząsów i erupcji wulkanów, które mogą spowodować niebezpieczne tsunami.

Pamiętajmy też o badaniach lodowca za pomocą pojedynczego światłowodu, którym Labedz i pozostali studenci zastąpili sieć 3000 sejsmometrów. W czasie pierwszych pomiarów zarejestrowano trwającą pięć godzin serię 100 wstrząsów lodowca w większości spowodowanych drążeniem otwartych szczelin lodowych przez wodę pochodzącą z topnienia lodu. Zhongwen Zhan, sejsmolog z Caltechu i opiekun naukowy Labedz, ma nadzieję, że uda się położyć kable światłowodowe na Grenlandii i w Antarktyce, aby pomóc badaczom w odpowiedzi na pytanie, jak topnienie lodowców spowodowane zmianami klimatycznymi przekłada się na podnoszenie się poziomu mórz.

Zhan ma jeszcze większe „naukowe marzenie”: chce wykorzystać ciemne światłowody w Kalifornii do budowy sieci zastępującej milion sejsmografów. Na razie powstał pierwszy jej fragment tworzony przez światłowody o łącznej długości 37 km rozciągnięte pod Pasadeną. Zhan chciałby to samo osiągnąć również w innych kalifornijskich miastach. Liczy, że zebrane w ten sposób dane pomogłyby w znalezieniu słabych punktów infrastruktury i ostrzeganiu mieszkańców na samym początku trzęsienia ziemi. „Byłaby to wielka korzyść dla mieszkańców” – wyjaśnia. Obecnie naukowcy nie potrafią przewidywać trzęsień ziemi, ale lepsze zrozumienie zjawiska wstrząsów zapowiadających, które czasem występują przed głównym trzęsieniem, mogłoby pomóc w osiągnięciu tego celu.

„Zgromadzenie większej ilości danych pokazujących, jak rozpoczynają i rozwijają się trzęsienia, mogłoby okazać się punktem zwrotnym” – ocenia Robert Mellors, sejsmolog z Lawrence Livermore National Laboratory, który nie uczestniczył w badaniach.

Ale ilość zbieranych danych stwarza też problemy z ich przetwarzaniem. Technika DAS dostarcza z łatwością nawet 10 terabajtów danych dziennie dla jednego tylko światłowodu; w ciągu 100 dni daje to około 1 petabajta. Dla porównania międzynarodowe repozytorium danych sejsmicznych, w którym przechowywane są wszystkie dane zebrane na całym świecie, zawiera niecały petabajt danych. Dlatego zanim naukowcy zaczną masowo korzystać z ciemnych światłowodów albo układać światłowody na odludnych obszarach, muszą najpierw nauczyć się przechowywać i udostępniać olbrzymie ilości informacji.


Dziękujemy, że jesteś z nami. Pulsar dostarcza najciekawsze informacje naukowe i przybliża najnowsze badania naukowe. Jeśli korzystasz z publikowanych przez Pulsar materiałów, prosimy o powołanie się na nasz portal. Źródło: www.projektpulsar.pl.

Świat Nauki 4.2020 (300344) z dnia 01.04.2020; Skaner; s. 8

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną