Tiga menara keras pemacu keras berdiri di meja Shan Dou. Diisi dalam beberapa bulan, ia mengandungi kira-kira 500 terabytes data seismik. Ini adalah data yang sangat besar untuk dikumpulkan dan diproses - sedikit lebih daripada jumlah yang kini disimpan dalam repositori kebangsaan data seismik, yang mempunyai arkib sejak tahun 1970.
Di manakah semua maklumat ini dicurahkan? Jawapannya terletak di bawah kaki anda: optik gentian.
Dou adalah penyelidik pasca doktoral di Laboratorium Nasional Lawrence Berkeley yang bekerja untuk meletakkan beribu-ribu batu kabel gentian optik yang melintasi dunia untuk digunakan dalam pemantauan kesedaran geohazard, kemerosotan permafrost, sinkholes dan juga perubahan dalam karbon dioksida yang disuntik. Tetapi dalam satu kajian baru, berdasarkan karya asas Dou dan diterbitkan bulan lalu dalam jurnal Penyelidikan Geophysical Letters, para penyelidik berpandangan tentang potensi dan fleksibiliti serat untuk mengesan satu bahaya tertentu: gempa bumi.
Untuk mengesan gegaran kecil di dalam tanah, para penyelidik biasanya menggunakan alat sensitif yang dipanggil seismometer. Tetapi setiap unit ini boleh mahal untuk dipasang dan sukar dijaga. Dan mereka tidak semestinya layak digunakan, jelas Nate Lindsey, seorang pelajar PhD di University of California, Labs Seismological Berkeley dan penulis utama dalam kajian baru itu. "Ada kawasan di mana ia mungkin penting untuk meletakkan seismometer-Saya berfikir luar pesisir, saya berfikir kawasan bandar-di mana ia ... sukar dari segi logistik dan dari segi keselamatan, " katanya.
Nate Lindsey membuat kabel di Stesen Richmond Field (Courtesy Jonathan Ajo-Franklin) Di sinilah serat optik-dan gunung-gunung data-masuk. Beribu-ribu jalur gentian optik merentasi negara kita, malah memanjang ke lautan. Jadi jika penyelidik boleh menggunakan sistem ini untuk pemantauan gempa bumi, ia menawarkan maklumat yang tidak pernah berlaku sebelum ini, kata Dou, yang bekerja dengan Lindsey di UC Berkeley ketika menamatkan PhDnya.
Ide ini agak mudah. Banyak syarikat gentian optik memasang lebih banyak kabel gentian optik daripada yang mereka perlukan, menyebabkan sistem gentian gelap yang disebut "gentian gelap" yang dibundarkan dalam saluran bawah tanah - yang boleh digunakan untuk tujuan alternatif, seperti pengesan gempa bumi. Tetapi setiap jalur gentian optik tidak sempurna. Apabila anda mengecilkan helai gentian optik individu, ketidaksempurnaan dalam struktur ini melantunkan sebahagian kecil cahaya. Para penyelidik boleh melekatkan apa yang dikenali sebagai interferometer laser pada satu hujung garisan untuk menghantar dan mengukur perubahan dalam glimmers yang dikembalikan ini, pemampatan minit yang bijak atau sambungan kabel kerana getaran tanah.
"Setiap meter serat optik dalam rangkaian kami bertindak seperti sensor dan kos kurang daripada satu dolar untuk dipasang, " kata Biondo Biondi, ahli geofizik di Stanford dan pengarang kertas baru, dalam satu siaran akhbar. "Anda tidak akan dapat membuat rangkaian menggunakan seismometer konvensional dengan perlindungan, kepadatan dan harga semacam itu."
"Itulah keindahannya, " Dou menjelaskan, "Kami tidak perlu membuat sesuatu yang istimewa, hanya membeli sesuatu yang sudah sedia untuk telekomunikasi."
Tetapi memikirkan bagaimana cara menggunakan serat-serat ini untuk pengesanan gempa mengambil sedikit kerja. Satu yang tidak diketahui adalah kepekaan. Penggunaan serat optik untuk mengukur getaran dalam tanah muncul dari industri minyak dan gas, yang menggunakan garis-garis untuk memantau saluran paip dan telaga-dengan melakukan perkara-perkara seperti mendengar suara gemuruh kenderaan yang menghampiri. Tetapi untuk maksud ini, optik serat biasanya "digabungkan, " atau disemen di dalam tanah, menyebabkan perpindahan bumi yang lebih efisien dan goncang ke gentian.
"Orang tidak percaya ini akan berfungsi, " kata Eileen Martin, seorang pelajar siswazah di makmal Biondi dan seorang penulis lain di dalam kertas itu. "Mereka selalu mengandaikan bahawa serat optik yang tidak dikendalikan akan menjana bunyi isyarat yang terlalu banyak untuk menjadi berguna." Tetapi ujian awal yang dijalankan sebagai kerjasama antara Stanford, UC Berkeley dan Makmal Kebangsaan Berkeley adalah menjanjikan.
Para penyelidik UC Berkeley telah menggunakan menggunakan optik gentian untuk memantau permukaan bawah tanah selama lima tahun, merekodkan bunyi bising seperti kereta lulus dengan gentian untuk mengkaji perubahan dalam ciri penting, seperti jadual air. (Pada bulan September, pasukan ini menerbitkan karya ini dengan kerjasama para saintis di Makmal Penyelidikan dan Kejuruteraan Kawasan Sejuk AS di Alaska dan Universiti Stanford dalam jurnal Laporan Saintifik . ) Untuk kajian baru mengenai potensi serat optik untuk pengawasan gempa bumi, saintis membandingkan pemerhatian gempa menggunakan tiga array serat optik yang berbeza, termasuk garis gentian optik yang dikebumikan berhampiran Fairbanks, Alaska, menguburkan garisan berbentuk L di Richmond, California, dan gelung angka-8 yang dipasang di saluran telekomunikasi sedia ada di bawah kampus Stanford.
Jonathan Ajo-Franklin (kiri) memasang pelbagai ujian serat optik eksperimen di Stesen Richmond Field. (Courtesy Jonathan Ajo-Franklin) Pasukan ini telah mencatatkan pelbagai peristiwa dalam ketiga-tiga sistem tersebut. Di dalam gelung Stanford sahaja, para penyelidik telah mengkatalogkan lebih daripada 800 tembelek sejak pengumpulan data bermula pada bulan September 2016, yang mengambil isyarat dalam data selepas peristiwa berlalu. "Kami dapat melihat mereka dari Mexico, dari Itali, dari Oklahoma ... serta orang-orang kecil yang kecil di kampus Stanford, " kata Biondi.
Peta menunjukkan lokasi serat optik 3 batu, angka-8 yang dipasang di bawah kampus Stanford sebagai sebahagian daripada pemerhatian seismik gentian optik. (Reka Bentuk Stamen dan Muzium Victoria dan Albert) Secara keseluruhan hasilnya menggalakkan. Seperti yang dikatakan Biondi, "berpotensi semua potongan di sana, " tetapi lebih banyak pekerjaan perlu dilakukan untuk meletakkan sistem dalam tindakan.
Pada masa ini, Lindsey dan pasukannya sedang menguji keupayaan optik serat dalam serat gelap sejauh 13 batu di Sacramento, California, yang dimiliki oleh Level 3 Communications syarikat, yang baru-baru ini dibeli oleh CenturyLink. Mereka membandingkan isyarat mereka yang diukur kepada seismometer tradisional.
"Perbandingannya bagus, " kata Lindsey. "Terdapat lebih banyak penyelidikan yang perlu dilakukan untuk memahami dan menjelaskan kelebihan dan kekurangan dalam penderiaan gentian optik, tetapi ada isyarat dalam sensor gentian optik yang berada di atas paras bunyi, dan itu berguna." Mereka menyediakan naskah mengenai projek ini untuk diserahkan untuk penerbitan dalam jurnal yang disemak semula bulan depan.
Sensitiviti masih menjadi perhatian untuk penggunaan pengesan gempa serat optik yang meluas. "Buat masa ini, serat cenderung mempunyai kepekaan yang lebih rendah daripada seismometer konvensional, " kata Dou. Rakan-rakan lain, dia nota, sedang menyiasat cara untuk meningkatkan keupayaan pengesanan gentian optik. Terdapat juga banyak yang tidak diketahui tentang keadaan pemasangan rangkaian telekomunikasi sedia ada. Tweak kecil, seperti bilangan kabel serat optik di saluran, boleh mempengaruhi pengesanan dan dengan itu keupayaan serat untuk menyampaikan maklumat yang tepat mengenai gempa bumi.
Sama pentingnya adalah keperluan untuk membangunkan kaedah-kaedah untuk memproses dan menganalisis kuantiti data sedemikian dalam masa nyata. "Ia adalah permainan data yang hebat untuk bekerja dengan, " kata Lindsey. "Tetapi saya tidak sabar-sabar untuk hari ketika ia tidak mengambil koper pelajar cakera keras untuk menyelesaikan masalah semacam ini."
Bagi Clay Kirkendall, seorang penyelidik dengan Angkatan Laut yang telah bekerja dengan sensor gentian optik selama 20 tahun yang lalu, kos tetap menjadi kebimbangan terhadap sistem baru. "Sudah tentu serat sudah ada dan itu adalah sebahagian besar daripada kos, " kata Kirkendall, yang bukan sebahagian daripada kajian itu. Tetapi anda masih memerlukan peranti untuk melantunkan garis-garis dan mengukur isyarat yang kembali-dan skimping pada aspek sistem ini boleh mengorbankan kepekaan, katanya. Tidak jelas berapa banyak penginterrogatif laser berkualiti tinggi pada masa ini, tetapi Biondi berharap sebagai teknologi memajukan kos sistem tersebut akan merosot.
Sekiranya para penyelidik dapat mengatasi kinks tersebut, optik serat boleh menawarkan penyelesaian kepada banyak cabaran pemantauan gempa bumi. Teknologi ini boleh menjadi sangat berguna dalam memperbaiki sistem yang memberi amaran kepada komuniti gempa bumi yang berdekatan untuk memberi mereka hanya sebahagian kecil masa tambahan untuk bersiap sedia. Kesan positif dan kegagalan rangkaian sedemikian ditekankan awal tahun ini dalam siri gempa Mexico.
Observasi seismik gentian optik berjaya mengesan gempa bumi berkekuatan 8, 2 yang melanda Mexico Tengah pada 8 September 2017. (Siyuan Yuan) Sistem Peringatan Seismik Mexico, atau SASMEX, adalah sistem amaran awal yang pertama untuk memberitahu orang ramai tentang gempa bumi yang sedang menunggu. Rangkaian seismometers, alat yang digunakan secara tradisional untuk memantau gempa bumi, bahagian speckle negara, pemantauan gegaran. Sebaik sahaja rangkaian ini mendaftarkan sesuatu yang cukup besar untuk kebimbangan yang berpotensi, amaran itu keluar, yang boleh memberi mana-mana dari detik hingga minit penuh pemberitahuan pada pendaratan masuk.
Lindsey menegaskan bahawa idea itu bukan untuk menggantikan sistem yang sedia ada- "pada optik optik yang terbaik mungkin tidak sebaik seismometer terbaik, " katanya nota-tetapi untuk meningkatkannya. "Kami melihat seismologi serat optik sebagai cara terbaik untuk melengkapkan teknik amaran awal gempa bumi, yang sedang dibina sekarang di seluruh planet ini, " katanya.
Walaupun masih terdapat banyak lagi kerja yang perlu dilakukan untuk membuat ini berlaku, pasukan penyelidik dan universiti banyak dalam hal ini. "Ini benar-benar secara kolektif merupakan usaha yang lebih besar, " kata Dou, sambil menyatakan bahawa satu pasukan di CalTech sedang menjalankan projek serat gelap yang serupa.
"Ia adalah bidang yang berkembang pesat, dan kami hanya bertuah untuk berada di kedudukan perintis, " katanya.
