Geofizičari sa ETH Ciriha pokazali su da se svaki pojedinačni talas zemljotresa magnitude 3,9 registruje u sistemu za suzbijanje buke optičkih mreža. Ovaj metod, koji je sada objavljen u Scientific Reports, može se koristiti za postavljanje sistema ranog upozoravanja na zemljotrese i cunami u bliskoj mreži po niskoj ceni.
Za bogate zemlje kao što je Švajcarska, postojanje guste mreže stanica za praćenje zemljotresa je nešto što se podrazumeva. To nije slučaj u manje razvijenim zemljama i na dnu svetskih okeana. Dok siromašnijim regionima nedostaje novca za neophodan broj senzora, okeani zahtevaju složene sisteme koji mogu pouzdano da mere minimalne promene pritiska na dubinama hiljadama metara i iznesu signale podataka na površinu.
Naučnici sa Instituta za geofiziku u ETH Cirihu, radeći zajedno sa Švajcarskim federalnim institutom za metrologiju (METAS), sada su pronašli neverovatnu i jeftinu metodu koja omogućava tačna merenja zemljotresa čak i na dnu okeana iu manje razvijenim zemljama.
„Koristimo funkciju koju postojeća optička infrastruktura već obavlja: dobijamo podatke o vibracijama iz aktivnog sistema za suzbijanje buke, koji ima zadatak da poveća tačnost signala u optičkoj komunikaciji podataka“, objašnjava profesor geofizike. Andreas Fichtner. Sve što je potrebno je da uskladištite podatke o aktivnom suzbijanju buke i procenite ih — nema potrebe za dodatnim uređajima ili skupom infrastrukturom. Kredit: ETH Cirih / Lars Gebraad
Da bismo razumeli kako aktivno fazno poništavanje buke (PNC) može da meri seizmičke potrese, pomaže u poređenju sa sistemima za suzbijanje buke današnjih vrhunskih slušalica, zbog kojih ambijentalna buka skoro potpuno nestaje za korisnike. Ove slušalice imaju mikrofone koji hvataju spoljašnju buku. Ovaj signal se invertuje i zatim uvodi u audio signale praktično u realnom vremenu. Fazno obrnuti signal poništava spoljni šum jedan na jedan, čineći ga nečujnim.
U PNC sistema za optičku komunikaciju podataka, „ambijentalna buka“ u optičkom vlaknu se određuje upoređivanjem prvobitno emitovanog signala sa delimičnim signalom koji se reflektuje od prijemnika. Razlika između dva signala tada ukazuje na smetnje kojima je svetlosni signal bio izložen na svom putu kroz optičko vlakno. Baš kao i kod potiskivanja buke u slušalicama, ova smetnja se može poništiti korišćenjem odgovarajućeg anti-signala.
U optičkom prenosu podataka, „šum“ nastaje kada se optička vlakna ometaju samo mikrometrima. Ovo se javlja kao odgovor na deformacije Zemljine površine usled zemljotresa, vodenih talasa, razlika u vazdušnom pritisku i ljudske aktivnosti. Svaka deformacija skraćuje ili malo produžava vlakno. Ovo zauzvrat dovodi do onoga što je poznato kao foto-elastični efekat, koji uzrokuje da brzina svetlosti u vlaknu lagano fluktuira.
I promene dužine vlakna i fluktuacije u brzini svetlosti menjaju frekvenciju svetlosnog signala za mali faktor. Ova pojava je poznata već nekoliko godina i već je korišćena u specijalnim instrumentima za merenje vibracija.
Ali u slučaju sistema za suzbijanje buke u optičkoj komunikaciji švajcarske infrastrukture atomskog sata koji su istraživali naučnici sa ETH i METAS, takvi dodatni merni instrumenti su suvišni: deformacije se mogu lako očitati iz korekcije vremenskih signala. Ovo koriguje talasnu dužinu signala u terahercnom opsegu (10 12 oscilacija u sekundi) za nekoliko stotina herca — drugim rečima, za oko desetinku milijarde.
Ove promene mogu biti male, ali daju izuzetno jasnu sliku vibracija kojima su optički kablovi izloženi tokom perioda posmatranja. „Koristeći PNC optičke veze između Bazela i lokacije atomskog sata u METAS-u u Bernu, bili smo u mogućnosti da detaljno pratimo svaki pojedinačni talas zemljotresa magnitude 3,9 u Alzasu“, objašnjava Fihtner. „Ali još bolje, model zemljotresa zasnovan na našim podacima takođe je izuzetno tačno odgovarao merenjima koje je izvršila Švajcarska seizmološka služba.
Ovo skoro potpuno podudaranje pokazuje da se PNC podaci mogu koristiti za određivanje lokacije, dubine i magnitude zemljotresa sa visokim stepenom tačnosti. „Ovo je posebno interesantno za sveobuhvatna upozorenja na cunami ili za merenje zemljotresa u manje razvijenim regionima sveta“, kaže Fihtner.
Za Fihtnera, priča o tome kako je nova metoda razvijena je takođe primerna. Ideja je proizašla iz diskusije između istraživača ETH i specijaliste u METAS-u. Čim je ETH-METAS tim prepoznao potencijal PNC podataka, brzo je implementirao ideju.
„Da bi se pojavila iznenađujuća nauka, moraju biti raspoloživa sredstva za istraživačke aktivnosti koje ne slede unapred definisani cilj“, kaže Fihtner. „ETH je idealan za takvu vrstu projekta. Za razliku od mnogih drugih univerziteta, ovde imam neograničena sredstva na raspolaganju kao istraživaču.“
