Wykorzystanie kabli podmorskich jako czujników sejsmologicznych i środowiskowych
Kluczem do sejsmologii jest wiedza o ruchach ziemskich uskoków tektonicznych. Z uwagi na fakt, że dwie trzecie powierzchni naszej planety znajduje się pod wodą, możliwości monitorowania ograniczają wyzwania logistyczne i wysokie koszty instalacji oceanicznych instrumentów sejsmologicznych. „Dobrą strategią w zakresie sejsmologii oceanicznej jest wykorzystanie istniejącej infrastruktury - podmorskie kable telekomunikacyjne są dobrą kandydaturą”, mówi Marc-André Gutscher(odnośnik otworzy się w nowym oknie), koordynator projektu FOCUS(odnośnik otworzy się w nowym oknie), który wykorzystał światło laserowe do pomiaru niewielkich ruchów dna morskiego na podstawie odkształceń wykrytych w kablach.
Światło laserowe kluczem do wykrywania zmian w kablach światłowodowych
Główny obszar badawczy wykorzystywany przez zespół projektu FOCUS znajdował się około 30 kilometrów od Katanii na Sycylii - miasta znajdującego się w strefie zagrożenia niszczycielskim trzęsieniem ziemi. Zespół przeanalizował tam liniowy uskok znajdujący się 2 000 metrów pod powierzchnią wody. Przy pomocy zdalnie sterowanego pojazdu podwodnego badacze podłączyli specjalnie zaprojektowany kabel światłowodowy do obserwatorium na dnie morskim. Nowy kabel został następnie rozwinięty w taki sposób, by przeciąć podmorski uskok w czterech miejscach. Światło lasera zostało następnie wystrzelone przez 29-kilometrowy kabel elektrooptyczny z obserwatorium do 6-kilometrowego kabla mierzącego naprężenia, po czym zostało odbite trzykrotnie, skutkując torem optycznym o łącznej długości 47 kilometrów. Zespół wykorzystał technikę reflektometrii optycznej bazującej na zjawisku rozpraszania Brillouina(odnośnik otworzy się w nowym oknie) (BOTDR) w celu analizy tego światła. Gdy światło lasera trafia do światłowodu, niewielka ilość jest rozpraszana wstecznie – odbija się od drobnych niedoskonałości włókna szklanego, co mierzy czujnik laserowy. Projekt FOCUS, finansowany ze środków Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych(odnośnik otworzy się w nowym oknie) (ERBN) skupiał się na analizie pików światła rozproszonego wstecznie (pików Brillouina) oraz ich wrażliwości na mechaniczne odkształcenia światłowodu i zmiany temperatury. Pomiary optyczne są wykonywane nieprzerwanie od października 2020 roku raz na dwie godziny. „Wzrost lub spadek częstotliwości Brillouina w danym punkcie światłowodu wskazuje na jego wydłużenie lub skrócenie”, wyjaśnia Gutscher, przedstawiciel Narodowego Centrum Badań Naukowych(odnośnik otworzy się w nowym oknie) (CNRS) we Francji. Pierwsze zmiany udało się wykryć już w listopadzie 2020 roku - badacze zaobserwowali wydłużenie w pierwszym i trzecim punkcie przecięcia z linią uskoku, odpowiednio o około 1,5 i 0,5 centymetra. Początkowo zespół założył, że było spowodowane przemieszczeniem uskoku, ale w celu niezależnej weryfikacji zamontowano radary akustyczne, które obaliły to założenie(odnośnik otworzy się w nowym oknie). „Prawdopodobnie zmiany te zostały spowodowane przez podwodne osunięcie się gruntu lub prądy przy dnie”, wyjaśnia Gutscher. Następnie badacze wykryli dodatkowe sygnały na światłowodzie, których źródłem okazał się być zdalnie sterowany pojazd podwodny umieszczający obciążniki na kablu. „Zarejestrowanie tych sygnałów potwierdza, że nasza technika może być wykorzystywana do pomiarów zmian w kablach podmorskich w odległości 30-50 kilometrów od brzegu”, zauważa Gutscher. „Choć nie zmierzyliśmy jeszcze ruchu uskoku ze względu na brak stosownych zjawisk, być może to powód do odetchnięcia z ulgą. Badania obrazowe i badania osadów wykazały, że uskok ten przesuwa się o kilka metrów na 10 000 lat, co może powodować trzęsienia ziemi o magnitudzie 6 stopni w skali Richtera”.
Możliwość monitorowania wpływu na środowisko i zmiany klimatu
Choć zespół projektu FOCUS wykazał, że podmorska sieć telekomunikacyjna może zostać wykorzystana do pomiarów sejsmologicznych, te same metody mogą również posłużyć do monitorowania stanu kabli podmorskich. Kluczowym odkryciem projektu było to, że niestandardowe (ciasne) podmorskie kable światłowodowe sprawdzają się lepiej w przypadku pomiarów odkształceń dna morskiego niż standardowe luźne kable. Zespół jest także bliski wykazania, że standardowe kable telekomunikacyjne mogą posłużyć do pomiaru wahań temperatury dna morskiego, co jest kluczowym wskaźnikiem zmian klimatycznych. Obecnie Gutscher stara się pozyskać dofinansowanie na potrzeby tych prac w ramach programu grantów dla doświadczonych naukowców ERBN. Trwają też prace nad projektem wykorzystującym technikę BOTDR w celu pomiaru temperatury dna morskiego i prądów w pobliżu kabli w podmorskiej światłowodowej sieci telekomunikacyjnej w rejonie archipelagu Gwadelupy. Inne plany badaczy obejmują testy hybrydowego kabla zawierającego światłowody telekomunikacyjne i czujnikowe, opracowanego w ramach projektu FOCUS, który opiera się na specjalnej konstrukcji (objętej zgłoszeniem patentowym) obejmującej zarówno ciasne, jak i luźne światłowody czujnikowe.