Shan Dou töölaual seisavad kolm kena kõvaketta torni. Vaid mõne kuu pärast täidetud, sisaldavad need umbes 500 terabaiti seismilisi andmeid. See on mõtlemapanev tohutult palju andmeid kogumiseks ja töötlemiseks - pisut rohkem kui praegu riiklikus seismiliste andmete hoidlas, mille arhiiv pärineb 1970. aastast.
Kust kogu see teave pärineb? Vastus peitub teie jalgade all: fiiberoptika.
Dou on doktorikraadiga Lawrence Berkeley riikliku labori teadlane, kes töötab tuhandeid miile maakera läbivaid fiiberoptilisi kaableid geoloogiliste ohtude teadvustamiseks - maalihete, igikeltsa madalseisude, kraanikaevude ja isegi süstitud süsinikdioksiidi muutuste jälgimiseks. Kuid uues uuringus, mis põhines Dou põhialusel ja mis avaldati eelmisel kuul ajakirjas Geophysical Research Letters, asusid teadlased uurima kiudude potentsiaali ja mitmekülgsust, et tuvastada üks konkreetne oht: maavärinad.
Pisikeste värisemise tuvastamiseks maapinnast kasutavad teadlased tundlikke instrumente, mida nimetatakse seismomeetriteks. Kuid kõigi nende üksuste paigaldamine võib olla kallis ja raskesti hooldatav. Ja neid pole alati võimalik kasutada, selgitas Nate Lindsey, Berkeley Seismological Labi California ülikooli doktorant ja uue uuringu juhtiv autor. "On piirkondi, kus võib olla oluline seismomeetri panemine - ma mõtlen mere ääres, ma mõtlen linnapiirkondi -, kus see on ... logistiliselt ja turvalisuse seisukohast keeruline, " ütleb ta.
Nate Lindsey trimmib kaablit Richmondi väljaku jaamas (viisakalt Jonathan Ajo-Franklin) Siit tulevadki fiiberoptika ja andmemäed. Tuhanded fiiberoptilised read läbivad meie riiki, ulatudes isegi ookeanidesse. Nii et kui teadlased saavad seda süsteemi maavärinate jälgimiseks kasutada, pakub see enneolematut hulka teavet, ütles Dou, kes töötas doktorikraadi lõpetamisel Lindseyga UC Berkeley's.
Idee on üsna lihtne. Paljud kiudoptilisi ettevõtteid paigaldavad rohkem fiiberoptilisi kaableid kui vaja, mille tulemuseks on niinimetatud "tumedate kiudude" süsteem - kiud, mis on komplekteeritud maa-alustesse kanalitesse -, mida saaks kasutada muudel eesmärkidel, näiteks maavärina tuvastamiseks. Kuid kõik need kiudoptilised read on ebatäiuslikud. Kui kiirgate valgust üksikute kiudoptiliste kiudude alla, põrkavad need konstruktsiooni puudused tagasi murdosa valgust. Teadlased saavad liini ühte otsa kinnitada nn laserinterferomeetri, et saata ja mõõta tagasi pöörduvate pilkude, maapinna vibratsioonist tingitud kaablite minutilisi kokkusurumisi või pikendusi mõõtvaid muutusi.
"Iga meie võrgu optilise kiu meeter toimib nagu andur ja selle paigaldamine maksab vähem kui dollar, " ütles Stanfordi geofüüsik ja uue paberi autor Biondo Biondi pressiteates. "Te ei saa kunagi luua võrku, kasutades tavalisi seismomeetreid, millel on selline leviala, tihedus ja hind."
"See on selle ilu, " selgitab Dou, "me ei pea midagi erilist tegema, peame lihtsalt ostma midagi, mis on juba telekommunikatsiooni jaoks laialdaselt saadaval."
Kuid nende kiude täpselt välja mõtlemine, kuidas neid kiude maavärina tuvastamiseks kasutada, võtab natuke rohkem tööd. Üks suur tundmatu on tundlikkus. Kiudoptika kasutamine maapinna vibratsiooni mõõtmiseks tekkis nafta- ja gaasitööstuses, kus torujuhtmete ja kaevude jälgimiseks kasutati liine, tehes näiteks kuuldes lähenevate sõidukite müra. Kuid nendel eesmärkidel ühendatakse kiudoptika tavaliselt maapinnaga või seotakse tsemendiga, mille tulemuseks on Maa puru ja raputuste tõhusam edastamine kiududele.
"Inimesed ei uskunud, et see toimib, " ütleb Eileen Martin, Biondi labori kraadiõppur ja teine paberil olev autor. "Nad eeldasid alati, et lahti ühendatud optiline kiud tekitab liiga palju signaalimüra, et sellest kasu oleks." Kuid Stanfordi, UC Berkeley ja Berkeley National Labi koostöös korraldatud esialgsed testid on paljulubavad.
UC Berkeley teadlased on juba viis aastat töötanud kiudoptika abil aluspinna jälgimiseks, registreerides ümbritseva õhu müra nagu näiteks kiududega autode möödasõit, et uurida oluliste omaduste, näiteks veetaseme muutusi. (Septembris avaldas meeskond selle töö koostöös USA armee külmade piirkondade teadusuuringute ja tehnikalabori teadlastega Alaskas ja Stanfordi ülikoolis ajakirjas Scientific Reports . ) Maavärina jälgimiseks mõeldud uue kiudoptilise potentsiaali uue uuringu jaoks võrdlesid teadlased maavärina vaatlused, kasutades kolme erinevat kiudoptilist massiivi, sealhulgas Alaska Fairbanksi lähedal maetud kiudoptilised read, maetud L-kujulised jooned Richmondis, Californias, ja joonis 8, mis on paigaldatud olemasolevasse telekommunikatsioonikanalisse, mis töötab Stanfordi ülikoolilinnakus.
Jonathan Ajo-Franklin (vasakul) paigaldab Richmondi väljaku jaama eksperimentaalset kiudoptilist katsemassiivi. (Viisakalt Jonathan Ajo-Franklin) Meeskond on salvestanud kõigi kolme süsteemi sündmuste valiku. Juba ainuüksi Stanfordi ahelas on teadlased kataloogistanud alates enam kui 800 andmete kogumist alates andmete kogumise algusest 2016. aasta septembris, valides pärast sündmuste möödumist andmetes olevad signaalid välja. "Näeme neid nii Mehhikost, Itaaliast, Oklahomast ... kui ka pisikesi pisikesi Stanfordi ülikoolilinnakus, " ütleb Biondi.
Kaart näitab Stanfordi ülikoolilinnakus asuva 3-miilise joonisel 8 kujutatud optiliste kiudude silmuse asukohta kiudoptilise seismilise observatooriumi osana. (Stamen Design ning Victoria ja Alberti muuseum) Üldiselt on tulemused julgustavad. Nagu Biondi ütleb, "potentsiaalselt on kõik tükid olemas", kuid süsteemi töölerakendamiseks on vaja veel rohkem tööd teha.
Praegu katsetavad Lindsey ja tema meeskond fiiberoptiliste võimaluste kasutamist Californias Sacramentos 13 miili pikkuses pimedas kius, mis kuulub ettevõttele Level 3 Communications, mille hiljuti ostis CenturyLink. Nad võrdlevad oma mõõdetud signaali traditsiooniliste seismomeetritega.
"Võrdlus on hea, " ütleb Lindsey. "Kiudoptilise sensori eeliste ja puuduste mõistmiseks ja selgitamiseks on vaja veel palju uurida. Kuid fiiberoptilises anduris on signaal, mis on üle mürataseme ja see on kasulik." Nad valmistavad ette selle projekti käsikirja, et need saaks järgmisel kuul avaldada eelretsenseeritavas ajakirjas.
Kiudoptiliste maavärinate tundliku mõõtmise laialdase kasutamise tõttu on tundlikkus endiselt murettekitav. "Praegu kipub kiu tundlikkus olema madalam kui tavalisel seismomeetril, " ütleb Dou. Tema sõnul uurivad teised kolleegid võimalusi fiiberoptiliste sensoriomaduste parandamiseks. Samuti on olemasolevate telekommunikatsioonivõrkude paigaldustingimuste kohta palju tundmatuid. Väikesed tõmblused, näiteks fiiberoptiliste kaablite arv torus, võivad mõjutada tuvastamist ja seega kiudude võimet edastada täpset teavet maavärinate kohta.
Sama oluline on vajadus töötada välja meetodid nii suurte andmemahtude töötlemiseks ja analüüsimiseks reaalajas. "See on suurepärane andmete mänguala, millega töötada, " ütleb Lindsey. "Kuid ma ootan põnevusega päeva, mil sedalaadi probleemi lahendamiseks pole õpilastel vaja kõvaketaste kohvreid."
Mereväe teadlase Clay Kirkendalli jaoks, kes on viimase 20 aasta jooksul töötanud fiiberoptiliste anduritega, on uue süsteemi hind endiselt murettekitav. "Kindlasti on kiud juba olemas ja see on suur osa kuludest, " ütleb Kirkendall, kes uuringusse ei kuulunud. Kuid teil on ikkagi vaja seadet, et valgusjoonest allapoole põrgatada ja tagasisignaale mõõta - ja süsteemi selle aspekti kallale asumine võib tundlikkuse ohverdada, ütleb ta. On ebaselge, kui palju maksavad kvaliteetsed laserpäringud praegu, kuid Biondi loodab, et tehnoloogia arenedes nende süsteemide kulud vähenevad.
Kui teadlased suudavad need kiiksud välja töötada, võiks kiudoptika pakkuda lahendust paljudele maavärina jälgimise väljakutsetele. See tehnoloogia võib olla eriti kasulik süsteemide täiustamisel, mis hoiatavad kogukondi läheduses asuvate maavärinate eest, et anda neile vaid murdosa lisaajast löögi ettevalmistamiseks. Selliste võrkude positiivseid mõjusid ja ebaõnnestumisi rõhutati selle aasta alguses Mehhiko värisematuse sarjas.
Kiudoptilise seismilise observatooriumi abil õnnestus Mehhiko kesklinnas 8. septembril 2017 tabanud 8, 2-magnituudine maavärin (Siyuan Yuan) Mehhiko seismiline häiresüsteem ehk SASMEX on esimene varajase hoiatamise süsteem, mis teavitab avalikkust ootel maavärinatest. Seismomeetrite võrk - vahend, mida tavaliselt kasutatakse maavärinate, riigi täpilõikude ja värisemise jälgimiseks. Niipea, kui see võrk registreerib potentsiaalseks mureks piisavalt suure ruumi, kustub hoiatus, mis võib anda sissetulnud raketist iga sekundi kuni üheminutilise teate.
Lindsey rõhutab, et idee ei ole olemasolevate süsteemide asendamine - "parimal juhul ei pruugi [fiiberoptika] olla nii hea kui parim seismomeeter", vaid pigem neid täiustada. "Meie arvates on fiiberoptiline seismoloogia suurepärane võimalus täiendada maavärina varajase hoiatamise tehnikaid, mis on praegu planeedi ümber üles ehitatud, " ütleb ta.
Ehkki selle saavutamiseks on veel palju tööd teha, on uurijate meeskonnad ja paljud ülikoolid asja kallal. "See on tegelikult ühiselt suurem ettevõtmine, " ütleb Dou, märkides, et CalTechi meeskond töötab sarnaste tumeda kiu projektidega.
"See on kiiresti arenev valdkond ja meil on lihtsalt õnn olla teerajaja positsioonil, " ütleb ta.
