שלושה מגדלים מסודרים של כוננים קשיחים עומדים על שולחנו של שאן דוא. הם ממלאים רק כמה חודשים והם מכילים כ -500 טרה-בתים של נתונים סיסמיים. זוהי כמות עצומה של נתונים שאפשר לאסוף ולעבד - מעט יותר מהכמות שנמצאת כיום במאגר הלאומי של נתונים סיסמיים, שיש בו ארכיב מאז 1970.
מאיפה כל המידע הזה מוזג? התשובה נמצאת מתחת לרגליך: סיבים אופטיים.
דוא הוא חוקר פוסט-דוקטורט במעבדה הלאומית לורנס ברקלי, שפועל למקם את אלפי המיילים של כבלי סיבים אופטיים החוצים את כדור הארץ לשימוש במודעות גיאוכזרית - ניטור מפולות, שקעים בספירות אפרפר, בולענים ואפילו שינויים בפחמן דו-חמצני שהוזרק. אולם במחקר חדש, שהתבסס על עבודתו היסודית של דאו, ופורסם בחודש שעבר בכתב העת Geophysical Research Letters, החוקרים התאחדו על הפוטנציאל והגמישות של הסיבים לגילוי מפגע מסוים אחד: רעידות אדמה.
כדי לאתר את הרעידות הזעירות באדמה, החוקרים משתמשים לרוב במכשירים רגישים הנקראים סייסמומטרים. אך כל אחת מהיחידות הללו יכולה להיות יקרה להתקנה וקשה לתחזוקה. ולא תמיד ניתן יהיה להשתמש בהם, מסביר נייט לינדסי, סטודנט לתואר שלישי באוניברסיטת קליפורניה, המעבדה הסיסמולוגית של ברקלי וסופר מוביל במחקר החדש. "ישנם אזורים שבהם ייתכן שיהיה חשוב להציב מדד סיסמומטר - אני חושב מחוץ לחוף, אני חושב אזורים עירוניים - איפה שזה ... קשה מבחינה לוגיסטית ומבחינה ביטחונית, " הוא אומר.
נאט לינדסי חוטף כבלים בתחנת שדה ריצ'מונד (באדיבות ג'ונתן אג'ו-פרנקלין) שם נכנסים סיבים אופטיים - והרי הנתונים - אלפי קווי סיבים אופטיים חוצים את ארצנו, אפילו משתרעים לאוקיינוסים. כך שאם החוקרים יכולים לרתום את המערכת הזו למעקב אחר רעידות אדמה, היא מציעה כמות מידע חסרת תקדים, אומר דוא, שעבד עם לינדסי ב- UC ברקלי בזמן שסיים את לימודי הדוקטורט.
הרעיון פשוט למדי. חברות סיבים אופטיים רבות מתקינות יותר כבלי סיבים אופטיים ממה שהם זקוקים, וכתוצאה מכך מערכת של מה שמכונה "סיבים כהים" - סיבים המצורפים בתעלות תת קרקעיות - שניתן להשתמש בהם למטרות חלופיות, כמו חישת רעידת אדמה. אבל כל אחד מקווי הסיבים האופטיים הללו אינו מושלם. כשאתה מקרין אור במורד גדילי הסיבים האופטיים הבודדים, פגמים אלה במבנה מקפיצים חלק מהאור. חוקרים יכולים להדביק את מה שמכונה אינטרפרומטר לייזר בקצה אחד של הקו כדי לשלוח ולמדוד שינויים בזוהרים שהוחזרו, דחיסות דקות או הרחבות של הכבלים בגלל תנודות האדמה.
ביונדו ביודי, גיאופיזיקאי בסטנפורד ומחבר העיתון החדש, אומר בהודעת עיתונאים. "כל מטר של סיבים אופטיים ברשת פועל כמו חיישן ועולה פחות מדולר להתקנה." "לעולם לא תוכל ליצור רשת באמצעות מכשירי Seismometers קונבנציונליים עם סוג כזה של כיסוי, צפיפות ומחיר."
"זה היופי שבדבר, " מסביר דו, "אנחנו לא צריכים לעשות שום דבר מיוחד, פשוט לקנות משהו שכבר זמין לתקשורת."
אבל להבין בדיוק כיצד להשתמש בסיבים האלו לגילוי רעידות אדמה לוקח קצת יותר עבודה. אלמוני אחד גדול הוא הרגישות. שימוש זה בסיבים אופטיים למדידת רטט באדמה הגיח מתעשיית הנפט והגז, שהשתמשה בקווים לפיקוח על צינורות ובארות - על ידי ביצוע דברים כמו הקשבה לרעשור של כלי רכב מתקרבים. אך למטרות אלה, בדרך כלל "צימודים" או מלטים את הסיבים האופטיים באדמה, מה שמביא להעברה יעילה יותר של רטטות האדמה והרעידות לסיבים.
"אנשים לא האמינו שזה יעבוד", אומרת איילין מרטין, סטודנטית לתואר שני במעבדה של ביונדי וסופרת אחרת בעיתון. "הם תמיד הניחו כי סיב אופטי לא צמוד יפיק יותר מדי רעשי אות כדי שיהיה שימושי." אך בדיקות ראשוניות שנערכו כשיתוף פעולה בין סטנפורד, UC ברקלי והמעבדה הלאומית של ברקלי מבטיחות.
חוקרי UC Berkeley עמלו על שימוש בסיבים אופטיים כדי לפקח על פני השטח במשך חמש שנים, ותיעדו רעשי הסביבה כמו העברת מכוניות עם הסיבים כדי לחקור את השינויים בתכונות החשובות, כמו שולחן המים. (בספטמבר פרסם הצוות עבודה זו בשיתוף פעולה עם מדענים במעבדת המחקר וההנדסה של הצבא האמריקני בצבא האמריקני באלסקה ובאוניברסיטת סטנפורד בכתב העת Scientific Reports . ) למחקר החדש על פוטנציאל סיבים אופטיים למעקב אחר רעידות אדמה, השוו המדענים. תצפיות רעידות אדמה המשתמשות בשלושה מערכים שונים של סיבים אופטיים, כולל קווי סיבים אופטיים קבורים בסמוך לפיירבנקס, אלסקה, קבורים קווים בצורת L בריצ'מונד, קליפורניה, ולולאה מס '8 המותקנת בתוך צינור טלקומוניקציה קיים שמתנהל מתחת לקמפוס של סטנפורד.
ג'ונתן אג'ו-פרנקלין (משמאל) מתקין מערך בדיקות סיב אופטי ניסיוני בתחנת שדה ריצ'מונד. (באדיבות ג'ונתן אג'ו-פרנקלין) הצוות הקליט מגוון אירועים בכל שלוש המערכות. בלולאת סטנפורד בלבד, חוקרים קטלגו יותר מ- 800 נבלות מאז החל איסוף הנתונים בספטמבר 2016, ובחרו את האותות בנתונים לאחר חלוף האירועים. "אנחנו יכולים לראות אותם ממקסיקו, מאיטליה, מאוקלהומה ... כמו גם קטנטנים זעירים בקמפוס סטנפורד, " אומר ביונדי.
המפה מציגה את מיקומו של לולאה באורך 8 ק"מ של סיבים אופטיים המותקנים מתחת לקמפוס סטנפורד כחלק מהמצפה הכוכב הסיסמטי הסיבטי. (עיצוב אבנים ומוזיאון ויקטוריה ואלברט) בסך הכל התוצאות מעודדות. כמו שביונדי אומר, "יכול להיות שכל היצירות שם", אבל צריך לקרות עבודה נוספת בכדי להפעיל את המערכת.
נכון לעכשיו, לינדסי וצוותו בודקים את יכולות הסיבים האופטיים ב -13 מיילים של סיבים כהים בסקרמנטו, קליפורניה, בבעלות חברת רמה 3 תקשורת, שנרכשה לאחרונה על ידי CenturyLink. הם משווים את האות המדוד שלהם לסיסמטומטרים מסורתיים.
"ההשוואה טובה", אומר לינדסי. "יש לעשות הרבה יותר מחקר כדי להבין ולהבהיר את היתרונות והחסרונות בחישה של סיבים אופטיים. אבל יש חיישן בסיבים אופטיים שהוא מעל לרמת הרעש וזה שימושי." הם מכינים כתב יד על הפרויקט שיוגש לפרסום בחודש הבא.
הרגישות עדיין מעוררת דאגה ליישום נרחב של חישה ברעידת אדמה סיב אופטית. "נכון לעכשיו, סיבים נוטים להיות בעלי רגישות נמוכה יותר מאשר לסיסמומטר קונבנציונאלי, " אומר דו. עמיתים אחרים, היא מציינת, בוחנים כעת דרכים לשיפור יכולות החישה של סיבים אופטיים. ישנם גם הרבה אלמונים לגבי תנאי ההתקנה של רשתות טלקומוניקציה קיימות. ציוצים קטנים, כמו מספר כבלי הסיבים האופטיים בצינור, עלולים להשפיע על הגילוי וכך על יכולתו של הסיב להעביר מידע מדויק על רעידות אדמה.
לא פחות חשוב הצורך בפיתוח שיטות לעיבוד וניתוח כמויות כה גדולות של נתונים בזמן אמת. "זה מגרש משחקים נהדר לעבוד איתו", אומר לינדסי. "אבל אני מצפה ליום בו לא צריך סטודנטים מזוודות של כוננים קשיחים כדי לפתור סוג כזה של בעיה."
עבור קליי קירקנדל, חוקרת עם חיל הים שעבדה עם חיישני סיבים אופטיים בעשרים השנים האחרונות, עלות זו נותרה דאגה למערכת החדשה. "בהחלט הסיבים כבר שם וזה חלק גדול מהעלות, " אומר קירקנדל, שלא היה חלק מהמחקר. אבל אתה עדיין זקוק למכשיר להקפיץ אור בקווים ולמדוד את האותות החוזרים - וחילוק על היבט זה של המערכת יכול להקרין רגישות, הוא אומר. לא ברור כמה יעלו חוקרי לייזר באיכות גבוהה כרגע, אך ביונדי מקווה שככל שהטכנולוגיה תתקדם העלות של המערכות הללו תרד.
אם החוקרים יכולים לעבוד על הכישורים הללו, סיבים אופטיים עשויים להציע פיתרון לאתגרים הרבים של ניטור רעידות אדמה. טכנולוגיה זו יכולה להיות שימושית במיוחד בשיפור המערכות המזהירות קהילות על רעידות אדמה סמוכות כדי להעניק להן רק שבריר של זמן נוסף להתכונן לטלטלה. ההשפעות החיוביות - והכישלונות - של רשתות כאלה הודגשו מוקדם יותר השנה בסדרת הרעידות של מקסיקו.
המצפה הסיסמטי הסיב אופטי גילה בהצלחה את רעידת האדמה בעוצמה 8.2 שפקדה את מרכז מקסיקו ביום 8 בספטמבר 2017. (Siyuan יואן) מערכת ההתראה הסייסמיקית המקסיקנית, או SASMEX, היא מערכת ההתראה המוקדמת הראשונה שמודיעה לציבור על רעידות אדמה ממתינות. רשת של סיסמומטרים, המכשיר ששימש באופן מסורתי לפיקוח על רעידות אדמה, קטעי גרד של הארץ, פיקוח על רעידות. ברגע שהרשת הזו רושמת משהו מספיק גדול לדאגה פוטנציאלית, האזהרה יוצאת, שיכולה לספק מכל שניות עד דקה שלמה של התראה על הטלטלה הנכנסת.
לינדסי מדגיש שהרעיון הוא לא להחליף מערכות קיימות - "במיטבו [סיבים אופטיים] עשוי לא להיות טוב כמו הסיסמומטר הטוב ביותר, " הוא מציין - אלא לשפר אותן. "אנו רואים בסייסמולוגיה של סיבים אופטיים דרך נהדרת להשלים טכניקות התרעה מוקדמות על רעידות אדמה, שנבנות כעת סביב כדור הארץ, " הוא אומר.
אף על פי שיש עדיין עבודה רבה יותר בכדי לגרום לכך לקרות, צוותי חוקרים ואוניברסיטאות רבות מתייחסים לעניין זה. "זה באמת מאמץ גדול יותר ביחד", אומר דו ומציין שצוות ב- CalTech עובד על פרויקטים דומים של סיבים כהים.
"זה תחום שמתפתח במהירות, ואנחנו פשוט ברי מזל שנמצאים בעמדה חלוצית", היא אומרת.
