Прикосновение к самой земле

Более 1,2 миллиона километров волоконно-оптических кабелей пересекают планету, передавая телефонные звонки, интернет-сигналы и данные по всему миру. Но этим летом исследователи впервые опубликовали жуткие звуки синих китов и финвалов, обнаруженные оптоволоконным кабелем на западном побережье Шпицбергена.

Теперь исследователи хотят подслушать еще более крупного зверя — саму Землю.

сказал Мартин Ландру, профессор Норвежского университета науки и технологии (NTNU), факультет электронных систем и руководитель Центр геофизического прогнозирования.

«Это может быть глобальная обсерватория, которая изменит правила игры в области наук об океане и Земле», — сказал он. Ландро был ведущим автором статьи о том, как может работать такая система, опубликованной в Отчеты научной природы.

Незначительные изменения диаметра волосяных волокон.

Волоконно-оптические кабели не являются чем-то новым. Вероятно, они несут информацию, которую расшифровывает ваш компьютер, поэтому вы можете прочитать эту статью.

Однако изменились инструменты, которые можно использовать для извлечения информации из этих сетей. У рассматриваемого инструмента несколько настораживающее детективное название.

Опросчик может быть подключен к сети оптоволоконного кабеля для отправки светового импульса по кабелю. Каждый раз, когда звуковая волна или реальная волна попадает на подводный кабель, волокна слегка изгибаются.

«И мы можем очень точно измерить относительную протяженность волокон», — сказал Ландру. «Эта технология существует уже давно. Но за последние пять лет она сделала огромный шаг вперед. Теперь мы можем использовать ее для мониторинга и измерения акустических сигналов на расстоянии от 100 до 200 километров. Это это новинка».

Команда Ландро, включая исследователей От Sikt, Норвежского агентства совместных услуг в области образования и исследований.И Alcatel Submarine Networks Норвегия, ASИсследователи использовали 120-километровый оптоволоконный кабель между Лонгйиром, крупнейшим поселением на Шпицбергене, и Ню-Лесунном, исследовательским центром на юго-западном побережье крупнейшего острова архипелага. В 2020 году они наблюдали за кабелем в течение 44 дней, записав более 800 звуков китов. Не могли бы вы О результатах читайте здесь.

«Целью оптоволоконного кабеля между Лонгйиром и Ню-Олесунном, который был произведен в 2015 году после 5 лет предварительного планирования и работы и в основном финансировался нашим министерством, было обслуживание исследовательского сообщества и геодезической станции в Ню-Олесунне. с высоким качеством и высоким качеством», — сказал Олаф Шилдеруп, президент Национальной сети исследований и разработок Sikt, V.I. Предыдущая статья о проекте «Мониторинг». Шьелдеруп также был соавтором новой статьи.

«Эксперимент DAS по обнаружению и наблюдению за китами демонстрирует совершенно новое использование этого типа волоконно-оптической инфраструктуры, что привело к превосходной и уникальной науке», — сказал он.

Технология хороша, но диапазон все же является ограничением. Есть надежда, что она будет улучшаться по мере совершенствования технологий, сказал Ландру.

«Хотя нынешним исследователям пока не удалось обнаружить нечто большее, чем повторители, обычно используемые в длинных оптоволоконных кабелях, технология развивается очень быстро, и мы надеемся, что вскоре сможем преодолеть эти ограничения», — сказал Ландру.

Корабли, землетрясения и странный узор волн

В процессе обнаружения криков китов исследователи также смогли обнаружить корабли, проходящие над кабелем или рядом с ним, серию землетрясений и странный узор волн, которые, как они в конечном итоге поняли, были вызваны далекими штормами.

Ландру сказал, что измерения были достаточно точными, чтобы они могли соотнести их с каждым конкретным событием, включая сильное землетрясение на Аляске.

«Конечно, мы видели много судоходства и много землетрясений, самое сильное из которых было на Аляске», — сказал он. «Он был большим — мы видели его на каждом канале (в кабеле) на каждые 120 км. Мы также видели, что можем обнаруживать отдаленные штормы».

Одним из примеров того, как система способна обнаруживать участвующие суда, является Norbjørn, грузовое судно, которое было поймано при пересечении оптоволоконного кабеля примерно в 86,5 км от Лонгйира. Исследователи смогли оценить скорость корабля по его траектории по кабелю, а затем они смогли проверить ее с помощью Система автоматической идентификации судов (АИС) тропинка.

Основная публикация 1963 г.

Сначала исследователи были сбиты с толку серией из десятков волн, обнаруженных ими за период наблюдения. Каждое волновое событие длилось от 50 до 100 часов, так как частота волны монотонно увеличивалась на протяжении всего события. Но в конце концов они поняли, что таинственные сигналы были волнами, посланными далекими штормами.

«Это физические океанские волны, движущиеся по поверхности моря», — сказал Ландру.

Волны более низкой частоты распространяются быстрее, а через 6 дней приходят волны более высокой частоты. Эта закономерность была обнаружена в 1963 году, когда он был океанографом. Уолтер Мунк опубликовал статью В нем описывается, как ученые могут выяснить, откуда берутся волны, создаваемые штормами, путем измерения наклона частотно-временной характеристики волн и выполнения некоторых расчетов.

Используя эти расчеты, команда Ландру определила местонахождение тропического шторма Эдуардо, который находился в 4100 километрах от Шпицбергена в Мексиканском заливе. Они также зафиксировали сильный шторм у берегов Бразилии, в 13 000 км от Шпицбергена.

Дополнительная информация о землетрясениях

У геологов уже есть сеть датчиков, которые помогают им отслеживать и измерять землетрясения. Сейсмографы. Ландру сказал, что эти инструменты чувствительны и предоставляют много подробной информации.

Однако сейсмографы очень дороги, и они не так широко распространены, как волоконно-оптические кабельные сети в мире.

Единственным недостатком оптоволоконной сети является более низкое отношение сигнал/шум. Это означает, что фонового шума много, а сигнал от землетрясения нечеткий или сильный на фоне фонового шума.

Но преимущество оптоволоконной сети в том, что она уже широко распространена и находится на месте, а значит, может предоставлять дополнительную информацию существующим сейсмометрам. Идея состоит не в том, чтобы заменить существующую систему, а в том, чтобы дополнить ее.

«Вопрос в том, что мы можем узнать из метода, который имеет более низкое отношение сигнал/шум, но имеет лучший пространственный охват? Как мы можем использовать эту дополнительную информацию, даже если она более низкого качества, чтобы узнать больше о землетрясение и его характеристики?», — сказал Ландру.

Мониторинг трубопроводов на предмет возможного саботажа

Также возникает вопрос, можно ли использовать существующие волоконно-оптические сети для мониторинга подводных трубопроводов, что особенно важно, учитывая взрыв в конце сентября, повредивший газопроводы «Северный поток 1» и «Северный поток 2».

Можем ли мы использовать эту оптоволоконную технологию для мониторинга и защиты инфраструктуры на морском дне? Это важный вопрос.

Проблема с трубопроводами заключается в том, что они создают шум, когда газ течет по трубе.

«С фоновым шумом мы должны охарактеризовать естественный контраст. Тогда, если у вас есть что-то приближающееся к этому конвейеру, каков порог? Когда вы действуете, что вы можете обнаружить? И мы не знаем», — сказал он. Так что план состоит в том, чтобы сделать специальные тесты для этой цели».

В конечном счете, идея может заключаться в мониторинге трубопроводов в режиме реального времени для обеспечения их безопасности. У исследователей уже есть настоящий поток аудиоданных из оптоволоконной сети Шпицбергена.

Ссылка: Ландро, М., Буффо, Л., Криселл, Х.Дж. и другие. Обнаружение китов, штормов, кораблей и землетрясений с помощью арктического оптоволоконного кабеля. Научный представитель 1219226 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-23606-x