Fibra

I cavi in ​​fibra ottica costituiscono il vasto sistema nervoso sotterraneo che soddisfa la nostra crescente domanda di servizi Internet e di comunicazione ad alta velocità. Tuttavia, i segnali nei cavi possono occasionalmente subire vibrazioni dovute alle automobili che circolano sopra di loro, ai lavori in corso nelle vicinanze o persino ai terremoti. I ricercatori hanno già proposto di sfruttare queste perturbazioni per convertire migliaia di chilometri di cavi sotterranei in sensibili sistemi sismici.

In un nuovo studio, i ricercatori del California Institute of Technology dimostrano che i cavi in ​​fibra ottica non solo rilevano i terremoti, ma possono anche misurare le sfumature e la complessità degli eventi sismici. In un caso, utilizzando un tratto di cavo di 100 chilometri, i ricercatori sono stati in grado di individuare l’ora e la posizione di quattro miniterremoti più piccoli che hanno costituito un terremoto di magnitudo 6.

"Questo lavoro non è solo rilevamento, va oltre il rilevamento", afferma Jiaxuan Li, ricercatore post-dottorato in geofisica al Caltech e coautore dell'articolo pubblicato il 2 agosto su Nature. “Stiamo immaginando i dettagli del processo di rottura di un terremoto”.

“Potremmo trasformare quelle reti [in fibra] molto dense in sistemi sismici che possiamo utilizzare per l’allarme precoce”.—Jiaxuan Li, Caltech

Sfruttando più cavi e ottenendo ancora più dati, i sismologi potrebbero comprendere meglio i terremoti. E anche se è improbabile che una serie di cavi in ​​fibra ottica siano in grado di prevedere i terremoti prima che si verifichino, i ricercatori potrebbero utilizzare la tecnica per contribuire a sviluppare migliori sistemi di allerta precoce che salvano vite umane, afferma Li.

In California di solito si verificano due o tre terremoti ogni anno di magnitudo 5,5. o superiore: causare danni moderati alle strutture. Ci sono oltre 700 sismometri in tutto lo stato. Ciascuno di essi costa fino a 50.000 dollari e la manutenzione della rete di rilevatori è costosa.

Avere un sensore il più vicino possibile alla fonte del terremoto è importante per una diagnosi precoce. Questo non è possibile con i sismometri costosi, dice Li. I cavi in ​​fibra ottica, invece, sono già posati nel terreno, si incrociano ovunque, fornendo una fitta rete di sensori sismici a basso costo. "Abbiamo una rete in fibra ottica molto estesa nelle città e tra le città", afferma. “Potremmo trasformare quelle reti molto fitte in sistemi sismici che possiamo utilizzare per l’allarme tempestivo”.

Li e colleghi hanno utilizzato una tecnica chiamata rilevamento acustico distribuito (DAS), che, sebbene nuova nel mondo della sismologia, è già utilizzata per monitorare eventuali difetti nelle condutture e nei cavi elettrici. Il metodo prevede l'invio di impulsi di luce laser su fibre ottiche e la misurazione dell'intensità dei segnali riflessi dalle imperfezioni della fibra. Un leggero allungamento o contrazione della fibra (ad esempio, a causa di un terremoto) può modificare i segnali riflessi.

In base al tempo di ritorno dell'impulso è possibile individuare quando e dove lungo il cavo si è verificato il disturbo. Poiché la luce viene riflessa da migliaia di punti imperfetti lungo le fibre, un tratto di cavo lungo chilometri può agire come migliaia di sismometri. Ciò significa un numero significativamente maggiore di dati sismici, che portano a una risoluzione più elevata, che consente di individuare la posizione di attività sismica minore.

I ricercatori del Caltech hanno convertito i cavi ottici preesistenti in un array DAS. Le società di telecomunicazioni di solito depositano più fibra del necessario e il gruppo di ricerca attinge a parte di questa fibra “scura” inutilizzata. Con il permesso della California Broadband Cooperative, il team ha installato un ricetrasmettitore DAS a un'estremità di un tratto di cavo in fibra ottica lungo il confine tra California e Nevada.

Nel loro studio, i ricercatori hanno analizzato i segnali luminosi provenienti da due sezioni di 50 chilometri di cavo in fibra ottica che hanno registrato il terremoto di magnitudo 6 dell’Antelope Valley del 2021. Le sezioni del cavo in fibra erano situate a nord e a sud della città di Old Mammoth. Nel complesso, i 100 km di cavo hanno fornito dati equivalenti a quelli di 10.000 sismometri.