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Rilevare i terremoti con cavi sottomarini di Google

lug 17, 2020

Nuova tecnica funzionante su distanze di decine di migliaia di chilometri.

Rilevare i terremoti con cavi sottomarini di Google
Google annuncia i progressi e le possibilità di utilizzo della sua tecnologia di cavi sottomarini per il rilevamento di terremoti e tsunami.

Rilevare i terremoti con cavi sottomarini di Google

È possibile rilevare terremoti con cavi sottomarini? Pensiamo di sì. Un recente esperimento che utilizza uno dei nostri cavi sottomarini in fibra ottica ha dimostrato che potrebbe essere utile per i sistemi di allarme antisismici e tsunami in tutto il mondo.

Esiste una lunga tradizione nell'uso della fibra ottica per applicazioni di rilevamento. Ma mentre la maggior parte di queste tecniche sono efficaci su distanze fino a 100 km, abbiamo sviluppato una tecnica che funziona su decine di migliaia di chilometri. E mentre gli approcci precedenti richiedono fibre di rilevamento speciali e attrezzature speciali, utilizziamo le fibre esistenti per rilevare i disturbi sul fondo del mare. Meglio ancora, la nostra tecnica si basa su apparecchiature presenti nella stragrande maggioranza dei sistemi di fibre ottiche esistenti al mondo, quindi è ampiamente applicabile.

I cavi in ​​fibra ottica collegano i continenti remoti lungo il fondo dell'oceano e gran parte del traffico internazionale di Internet viaggia su questi cavi. La rete globale di cavi sottomarini di Google rende possibile condividere, cercare, inviare e ricevere informazioni in tutto il mondo alla velocità della luce. Questi cavi sono costruiti utilizzando fibre ottiche che trasportano dati come impulsi di luce che viaggiano a 204.190 chilometri al secondo. La luce pulsante incontra distorsioni mentre percorre migliaia di chilometri attraverso il cavo. All'estremità ricevente, gli impulsi luminosi vengono rilevati e le distorsioni vengono corrette dall'elaborazione del segnale digitale. Una delle proprietà della luce che viene tracciata come parte della trasmissione ottica è lo stato di polarizzazione (SOP). Il SOP cambia in risposta a disturbi meccanici lungo il cavo e il monitoraggio di questi disturbi ci consente di rilevare l'attività sismica. 

Nel 2013, abbiamo esaminato il modo in cui potremmo utilizzare i dati SOP per comprendere meglio le deviazioni rilevate su un cavo terrestre terrestre, ma i fattori tipici dell'ambiente circostante hanno causato troppe interruzioni per rilevare le firme sismiche, quindi non abbiamo proseguito il progetto . Quindi, nel 2018, gli scienziati hanno pubblicato un articolo sui primi successi che avevano avuto nel rilevare terremoti su collegamenti terrestri e sottomarini, osservando i cambiamenti di fase usando un laser ultrastabile a banda stretta. Ma i collegamenti che usavano erano brevi (meno di 535 km per terrestri e 96 km per sottomarini) e in acque relativamente basse (~ 200 m di profondità), limitando l'applicazione pratica dell'idea. Per essere utili, avrebbero bisogno di provarlo su collegamenti molto più profondi sul fondo dell'oceano e che correvano su distanze molto maggiori.

Abbiamo letto questo documento con grande interesse e abbiamo iniziato a pensare a come potremmo aiutare a rilevare i dati sismici usando cavi sottomarini. Lo scorso ottobre ci è venuta un'idea: potevamo rilevare terremoti basati su firme spettrali, eseguendo un'analisi spettrale dei parametri di Stokes per esaminare le frequenze tipiche dei terremoti.

Notebook.jpg dell'autore
Il quaderno dell'autore in cui ha scritto la sua prima idea su come implementare il sistema.

Primi test

Alla fine del 2019, abbiamo iniziato a monitorare SOP su alcuni dei nostri cavi sottomarini globali. Durante la prova sul campo iniziale, abbiamo osservato che la SOP era notevolmente stabile, anche dopo che il segnale ha attraversato 10.500 km. Il fondo dell'oceano è per lo più un posto tranquillo.

In effetti, per diverse settimane, il fondale oceanico era forse troppo silenzioso, senza mostrare cambiamenti SOP che avrebbero indicato un terremoto. Quindi, il 28 gennaio 2020, abbiamo rilevato un terremoto di magnitudo 7,7 al largo della Giamaica, a 1500 km dal punto più vicino di uno dei nostri cavi! Un diagramma di SOP nel tempo ha mostrato un picco pronunciato in un timestamp circa cinque minuti dopo il terremoto, correlato al tempo di viaggio dell'onda sismica dalla Giamaica al cavo e la durata del picco è stata di circa 10 minuti.

Stokes vectors.jpg
Stokes vettori S1 (a sinistra), S2 (al centro), S3 (a destra) generati dal terremoto M7.7 al largo della Giamaica, che forniscono analisi quantitative di SOP (stato di polarizzazione). Tempo dell'asse X, frequenza dell'asse Y in Hertz, con codice colore che mostra l'intensità dei componenti spettrali. Il verde indica una maggiore densità spettrale rispetto al bianco e al rosa. Il terremoto di 7,7 M è un picco verde/bianco appena visibile sotto 0,5 Hz. La linea più forte da 1 Hz è dovuta alle oscillazioni ambientali.

Abbiamo condiviso i nostri risultati con il Dr. Zhongwen Zhan del California Institute of Technology Seismological Laboratory, che ha confermato le nostre osservazioni e fornito ulteriori informazioni sui tempi di viaggio di diversi tipi di onde sismiche e sulle gamme di frequenza previste delle escursioni SOP.

Nei mesi successivi al terremoto in Giamaica, abbiamo anche rilevato più terremoti di dimensioni moderate, sia a distanze più brevi che più lunghe. Il 22 marzo 2020, si verificò un terremoto di magnitudo 6,1 sull'East Pacific Rise (una dorsale medio oceanica situata lungo il fondo dell'Oceano Pacifico, a circa 2000 km da uno dei nostri cavi). Abbiamo osservato una chiara attività SOP con tempistiche coerenti con le osservazioni fatte in una stazione di monitoraggio sismico a Tlapa, in Messico, che si trovava a una distanza simile. Quindi, il 28 marzo, un terremoto di magnitudo 4.5 si è verificato al largo della costa vicino a Valparaiso, in Cile, a soli 30 km da uno dei nostri cavi nel punto più vicino. L'evento ha prodotto un picco evidente ma breve dell'attività SOP: la breve durata era probabilmente dovuta a un rapido decadimento dell'intensità delle vibrazioni lungo il cavo per questo evento relativamente piccolo.

Potenziamento del sistema di rilevazione sismica del mondo

Siamo entusiasti del successo iniziale del rilevamento di eventi sismici con cavi sottomarini, il che può migliorare la nostra capacità di osservare sia la struttura della Terra che le dinamiche del terremoto. Ma questo è solo l'inizio.

Ad esempio, analizzando i nostri dati, il Dr. Zhan ci ha mostrato che non solo possiamo rilevare i terremoti provenienti dalle placche tettoniche, ma possiamo anche rilevare i cambiamenti di pressione nell'oceano stesso, che potrebbero aiutare a prevedere lo tsunami. Ciò è particolarmente eccitante perché oggi la maggior parte delle apparecchiature di rilevamento dello tsunami sono a terra o sparse in tutto l'oceano. Il primo non concede alle comunità costiere il tempo di evacuare, mentre il secondo è limitato dalla velocità dell'onda in movimento, un massimo di 800 km all'ora per un'onda di mare profondo. D'altra parte, quando un cavo passa vicino all'epicentro del terremoto, un sistema di allarme tsunami che trasmette i dati alla velocità della luce potrebbe comunicare un avviso alle comunità potenzialmente colpite in millisecondi.

I dati di Google mostrano ocean waves.jpg

L'immagine costruita dal Dr. Zhan sulla base dei dati di Google mostra le onde dell'oceano durante i temporali dal 3/25 al 4/13, 2020. L'asse X è la frequenza da 0 a 0,16 Hz, il tempo dell'asse Y. Le onde dell'oceano sono viste come linee spazzolate ad angolo gialle.

Inoltre, il nostro approccio si basa su una tecnologia diffusa nelle odierne reti in fibra ottica. Milioni di chilometri di reti in fibra ottica si estendono già in tutto il mondo, gestite da governi, fornitori di telecomunicazioni e società tecnologiche come noi. Collaborando con la comunità globale dei cavi sottomarini, potremmo essere in grado di migliorare la capacità del mondo di rilevare e ricercare attività sismiche in tutto il mondo.
Ovviamente, questa è solo una prima dimostrazione, non un sistema funzionante, e resta ancora molto da fare. Innanzitutto, gli scienziati dovranno comprendere meglio il diluvio di dati complessi che verranno generati monitorando la SOP. I dati sismici sono notoriamente complessi: le forme d'onda prodotte da diversi tipi di terremoti sembrano molto diverse l'una dall'altra e quelle forme cambiano radicalmente in base a variabili come magnitudo, posizione e così via. Per creare un solido sistema di monitoraggio dei terremoti, i ricercatori hanno bisogno di matematica avanzata e analisi dei dati, in cui i sistemi informatici avanzati come Google Cloud possono essere strumentali. Col tempo, gli scienziati potrebbero decidere che questo è un lavoro per l'apprendimento automatico, che eccelle nel dare un senso ai grandi set di dati in un modo che va oltre le capacità del cervello umano.

Vediamo questo approccio non come una sostituzione di sensori sismici dedicati, ma come una fonte di informazioni complementari per consentire avvisi tempestivi di terremoti e tsunami. Siamo umiliati ed entusiasti dalla possibilità di collaborare con le comunità di ricerca ottica, sottomarina e sismica per utilizzare tutta la nostra infrastruttura via cavo per maggiori vantaggi per la società.
Fonte: Google
Articolo di HTNovo
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