Землетрясения и цунами легко спрогнозировать с помощью волоконно-оптических сетей

Геофизики из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH) доказали на конкретном событии, что каждая отдельная волна землетрясения магнитудой 3,9 балла регистрировалась в системе шумоподавления волоконно-оптических сетей. Метод можно без дополнительных затрат на оборудование использовать для раннего предупреждения о землетрясениях и цунами.

Для развитых стран, в том числе Швейцарии, частая сеть сейсмических станций — нечто само собой разумеющееся. В менее благополучных странах и на дне мирового океана, где проложены кабели, уже иная картина. Развивающимся странам попросту не хватает средств для приобретения и установки большого количества датчиков. А в океанах фиксировать первопричины разрушительных цунами с надёжностью можно за счёт замеров давления на километровых глубинах с последующей передачей данных к поверхности, но это требует соответствующих затрат.

Учёные из Института геофизики ETH и Швейцарского федерального института метрологии (METAS) создали дешёвый метод на базе уже существующей инфраструктуры. Технология позволяет с точностью фиксировать землетрясения, в том числе и на океанском дне, и в менее богатых регионах мира.

Профессор геофизики Андреас Фихтнер рассказал, что они с коллегами использовали возможности уже существующей волоконно-оптической сети. Учёные получают данные о вибрациях от активной системы шумоподавления искажений и помех. Её главная роль — в повышении точности сигналов при передаче данных. Единственное, что нужно для придания этому дополнительной функции сейсмического контроля — это собирать данные активного шумоподавления и анализировать их. Никакие дополнительные устройства даже не понадобятся, объяснил учёный.

Чтобы понять, как активное фазовое шумоподавление (PNC) может измерять сейсмические толчки, подойдёт сравнение с технологией подавления шумов в дорогих наушниках. Высококлассные наушники полностью отсекают от пользователя посторонний шум. В составе наушников — микрофоны, улавливающие внешние звуки. Захваченные нежелательные шумы преобразуются в аудиосигналы немедленно. При этом так называемый инвертированный по фазе сигнал взаимно нейтрализует внешний шум, делая его неслышимым.

В PNC при оптоволоконной передаче данных «посторонний внешний шум» в кабеле идентифицируется за счёт сравнения переданного сигнала с тем неполным, частичным, сигналом, который отражается приёмником. Разница между первым и вторым сигналами — это и есть помехи, которые «пытались» повлиять на световой сигнал на его пути в оптическом волокне. Аналогично подавлению шумов в наушниках, помехи в кабеле на дне морском можно устранить соответствующим антисигналом.

При оптической передаче данных помехи возникают, когда оптические волокна воспринимают возмущения в микрометровом масштабе. Это происходит в ответ на деформации земной поверхности, вызванные землетрясениями, мощными течениями, перепадами давления и под воздействием человеческой активности. Каждая деформация пусть очень незначительно, но влияет на геометрию, укорачивая или удлиняя кабель. В результате наблюдается так называемый фотоупругий эффект — причина незначительных колебаний скорости света в оптоволокне.

Изменения длины кабеля и перепады скорости света пусть и очень слабо, но искажают частоту светового сигнала. Явление это изучено ещё несколько лет назад и уже используется в спецприборах для измерения вибраций.

Что касается системы шумоподавления для волоконно-оптической связи, то для швейцарской инфраструктуры атомных часов приборы-измерители излишни. Поясним, что атомные часы, которые также называют молекулярными и квантовыми — это прибор для измерения времени, в котором в качестве периодического процесса используются собственные колебания на уровне атомов или молекул. Учёные ETH и METAS научились считывать деформации по коррекции сигналов времени. Корректировка длины волны происходит в терагерцевом диапазоне (1012 колебаний в секунду) на несколько сотен герц. Другими словами, приблизительно на одну десятую миллиардной доли.

Описанные изменения незначительны, но они отображают чёткую картину вибраций волоконно-оптических кабелей. Фихтнер объяснил, что на основе PNC волоконно-оптической линии между Базелем и станцией «Атомные часы» в METAS в Берне исследователи сумели в деталях отследить каждую волну землетрясения магнитудой 3,9 балла в Эльзасе. То есть на основании наблюдений на территории Швейцарии в подробностях зафиксировали дрожь земли во Франции. Благодаря изученным данным удалось построить очень точную компьютерную модель землетрясения, и всё это — по измерениям швейцарской сейсмологической службы.

Такая точность доказывает, что данные PNC эффективны, чтобы вычислить эпицентр, глубину толчков и магнитуду (силу) землетрясений с высокой достоверностью. Итак, открытие даёт возможность предупреждать о цунами и фиксировать землетрясения в технологически менее развитых странах.