使用深海光缆检测地震

  美国加州理工学院的地震学家与Google的光学专家一起开发了一种使用现有水下电信电缆探测地震的方法。该技术可能会改善世界各地的地震和海啸预警系统。

  超过一百万公里的巨大光缆网络位于地球的海洋底部。在1980年代,电信公司和政府开始铺设这些电缆,每条电缆可以跨越数千公里。如今,全球网络已被视为国际电信的骨干。

使用深海光缆检测地震

  长期以来,科学家一直在寻找一种使用这些浸没电缆来监测地震活动的方法。毕竟,全球超过70%的区域都被水覆盖,安装,监视和运行水下地震仪来跟踪地球在海底的运动非常困难且昂贵。什么是理想的,研究人员说,是使基础设施的使用已经在沿着以监测地震洋底。

  以前使用光纤来研究地震活动的努力依赖于添加复杂的科学仪器和/或使用所谓的“暗光纤”,即未积极使用的光缆。

  现在,加州理工学院地球物理学助理教授詹忠文(13岁的博士)和他的同事们提出了一种方法来分析通过“亮”光纤(换句话说,是现有的和运行中的海底电缆)传播的光,无需任何其他设备即可检测地震和海浪。他们在2月26日的“科学”杂志上描述了这种新方法。

  詹说:“这项新技术确实可以将大多数海底电缆转换成地球物理传感器,而这些传感器的长度将达到数千公里,以检测未来的地震和可能发生的海啸。” “我们相信,这是首个可在全球范围内实施的监测海底地震活动的解决方案。它可以补充现有的地面地震仪和海啸监测浮标网络,从而极大地探测海底地震和海啸。在许多情况下更快。”

  电缆网络通过使用激光进行工作,这些激光通过电缆中捆绑的玻璃纤维发送信息脉冲,从而以每秒20万公里的速度向另一端的接收器传输数据。为了最佳利用电缆(即在电缆上传递尽可能多的信息),操作员要监视的一件事是光纤中传播的光的偏振。像通过偏振滤光片的其他光一样,激光也是偏振的,这意味着其电场仅沿一个方向振荡,而不是沿任何方向振荡。控制电场的方向可以允许多个信号同时传播通过同一根光纤。在接收端,

  在他们的工作中,研究人员专注于居里电缆,这是一种海底光缆,沿着太平洋东缘从洛杉矶到智利瓦尔帕莱索延伸了10,000多公里。(尽管詹表示,这项技术可用于遍及全球的数百条海底电缆中的许多。)

  在陆地上,各种干扰(例如温度变化甚至雷击)都可以改变通过光纤电缆传播的光的偏振。詹和他的同事们发现,由于深海中的温度几乎保持恒定,并且那里的干扰极少,因此从居里电缆一端到另一端的极化变化随时间推移仍相当稳定。

  但是,在地震过程中以及暴风雨产生巨大的海浪时,两极分化突然而剧烈地变化,这使得研究人员可以轻松地识别出数据中的此类事件。

  当前,当地震发生在离岸数英里的地方时,地震波到达陆地地震仪可能要花费几分钟,而对任何海啸波的验证甚至要花费更长的时间。使用新技术,海底电缆的整个长度在难以监视的位置充当单个传感器。极化每秒最多可测量20次。这意味着,如果地震发生在特定区域附近,则可能会在几秒钟内向可能受到影响的区域发出警告。

  在这项新研究报告的9个月测试期间(2019年12月至2020年9月),研究人员在居里电缆沿线发现了大约20场中到大地震,包括1月在牙买加海域发生的7.7级地震。 2020年12月28日。

  尽管在研究过程中未发现海啸,但研究人员能够检测到源自南大洋的海浪产生的极化变化。他们相信,在这些事件中观察到的极化变化是由于强大的海浪经过电缆而引起的海底压力变化所引起的。詹说:“这意味着我们可以检测到海浪,因此有可能在一天之内就能检测到海啸波。”

  詹(Chantech)的詹(Zhan)和他的同事现在正在开发一种机器学习算法,该算法将能够确定检测到的极化变化是否是由地震或海浪引起的,而不是系统的其他变化,例如船舶或螃蟹在移动电缆。他们希望整个检测和通知过程可以自动化,以提供重要信息,此外,全球陆基地震仪网络和海啸深海评估和报告(DART)系统中的浮标已经收集了数据,由美国国家海洋和大气管理局的国家资料浮标中心运营。

  新的《科学》杂志的标题为“跨洋电缆上基于光偏振的地震和水波传感”。

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