深海互联网电缆可能有助于感知遥远的地震隆隆声

这项水下技术可能会颠覆地震学。
Undersea fiber optic cables can be used to sense earthquakes.
光纤电缆阵列。VadimVasenin 供图 (Deposit Photos)

海洋覆盖了地球表面三分之二以上。对于地震学家、海洋学家和其他希望持续监测我们星球运动的人来说,这是一个问题。海洋可能昏暗而浑浊,因此难以获取关于地震和地震灾害等重要数据。

但海洋神秘莫测并不意味着它缺乏基础设施:例如,超过 750,000 英里的电信电缆让互联网跨越各大洲。科学家们也知道这一点。他们已开始利用这项基础设施来探测地震。

他们在这方面的最新进展是:利用一条跨大西洋电缆来探测地震,正如他们在 5 月 20 日发表在《科学》杂志上的一篇论文中所做的那样。由英国国家物理实验室的Giuseppe Marra领导的研究人员探测到了两次地震,其中一次的震源距离地球另一端。

“我们在近海的传感器非常有限。非常有限。简直可笑,”密歇根大学的地震学家 Zack Spica 说,他不是这篇论文的作者。“但是,现在我们意识到,实际上我们拥有数千个潜在的传感器,所以我们可能可以开始深入研究并开始监测正在发生的事情。”

如今,电信公司已将光纤编织成一张错综复杂的网络,遍布全球。这些电缆是隐藏的但至关重要的组成部分,它们让互联网得以运行。它们不仅连接各大洲,还为世界上更偏远地区带来了关键连接。

(想想汤加就知道了,今年早些时候,由于火山爆发,该国的电缆连接被切断。岛上的人们和救援工作常常不得不依赖像蜗牛一样慢的 2G 卫星互联网,直到电缆修复。)

使用电缆进行水下传感并非新想法。起初,这个想法依赖于定制的专用电缆。在冷战初期,美国海军曾尝试使用它们来探测苏联潜艇。从 20 世纪 60 年代起,加利福尼亚和日本的科学家就开始测试电缆以进行地震探测。

但是安装专用设备成本高昂,而在 21 世纪——在电信行业对这一想法的接受度提高的帮助下——科学家们开始利用已有的资源。

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也许最成熟的方法是一种称为分布式声学传感 (DAS) 的技术。为此,科学家们从电缆的一端发射短暂的光脉冲。如果地震(例如)震动了电缆,震动就会将部分光反射回发送者,发送者可以使用它来重建发生了什么以及在哪里发生。

许多科学家都拥抱 DAS,但它有一个关键限制:距离。当光(或任何其他信号)沿着线路传播时,它会衰减或减弱。因此,很难使用 DAS 感知数十英里以外的区域。这已经是一项了不起的成就,但如果你想探测,例如,数千英里外的海洋中心呢?

2021 年,由加州理工学院的地震学家 Zhongwen Zhan 领导的研究人员在 Curie 上测试了另一种方法,Curie 是谷歌拥有的一条从洛杉矶到瓦尔帕莱索、智利,与极其活跃的太平洋美洲海岸平行的电缆。该团队研究了地震在普通信号传输通过电缆时留下的“指纹”。

但他们的方法有一个缺陷:他们无法知道事件发生的距离,只知道事件发生了。“他们探测到了地震,但是……他们不知道它来自哪里,”Spica 说。

当然,如果你在和远方的朋友聊天,你们的声音可以毫无问题地传达给对方。这是因为这些电缆配备了称为中继器的设备。就像一场宏大的传话游戏(只不过远比其可靠得多)中的玩家一样,中继器接收传入信号并放大它,将其发送到下一个。

多年来,一些科学家支持一项名为 SMART 的提案,该提案建议为未来的电缆配备廉价的地震、压力和温度传感器。电信公司现在正引起关注:一项 SMART 项目——连接葡萄牙大陆与其大西洋岛屿的电缆——定于 2025 年投入使用。

但是海底电缆的水下中继器已经有一个次要功能:为了帮助电缆运营商定位潜在问题,中继器可以将部分信号发回。

Marra 和他的同事利用了现有的故障安全机制。他们通过电缆发送红外激光,并检查从每个中继器返回的信号。通过这样做,他们可以将一条跨洋电缆分解成几段几十英里长的“小块”。

“我知道其他人一直在考虑如何做到这一点,”夏威夷大学海洋学家 Bruce Howe 说,他也未参与这篇论文,“但他们做到了。”

Marra 的团队在一条连接英格兰西北部南港和加拿大哈利法克斯的跨大西洋电缆上测试了他们的技术。他们不仅能够探测到地震——一次源自秘鲁北部,另一次源自远在印度尼西亚——还能探测到海洋中水流动的噪声。

存在一些缺点。Howe 说,首先,这种探测与地震学家习惯的方式不同。Marra 和同事还无法测量地震的震级。而且,区分地震和,例如,海洋温度变化可能会很困难。这就是多方法——例如,这项最新技术加上 SMART——可以协同工作的地方。

许多科学家对电缆的潜力感到兴奋。Spica 说:“我真的觉得地震学中最伟大的突破将发生在近海,因为那里有太多东西需要探索。”它们可以极大地改善我们的海啸预警系统。它们可能有助于地质学家深入研究像洋中脊这样的构造板块相互汇聚或分离的、人们知之甚少的地方。而且它们可能有助于海洋学家监测变暖的海洋中发生的事情。

“金钱,一如既往,是主要障碍,”Howe 说,“但最近的进展表明我们可以克服这一点。”

 

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Rahul Rao

特约撰稿人,科学

Rahul Rao 自2021年初以来一直是《科学美国人》的实习生和特约科学作家。他报道物理学、太空、技术以及它们之间的交叉领域以及其他一切。


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