Cómo los cables de fibra óptica podrían advertirle de un terremoto

Aug 30, 2023

mateo simon

El terremoto de magnitud 7,8 que sacudió Turquía y Siria el lunes es un brutal recordatorio de que, en el fondo, el planeta Tierra aún esconde secretos. Los científicos saben muy bien que las fallas son propensas a los terremotos, pero no pueden decir cuándo golpeará un temblor o qué tan grande será. Si pudieran, el número de muertos no superaría los 20,000 hasta ahora, y los rescatistas todavía están luchando para encontrar sobrevivientes.

Aún así, en los últimos años, los científicos han avanzado en el desarrollo de sistemas de alerta temprana de terremotos, en los que los sismómetros detectan el comienzo de los estruendos y envían alertas directamente a los teléfonos de las personas. Esa alarma no llega días u horas antes de que ocurra el terremoto, sino segundos. Los ataques sísmicos del planeta son demasiado repentinos para que los científicos proporcionen tiempos de advertencia sustanciales.

Sin embargo, una técnica novedosa podría algún día impulsar esos sistemas de alerta temprana, brindando tiempo adicional para que las personas se preparen para los terremotos que se avecinan, aunque aún sería del orden de unos pocos segundos, dependiendo de qué tan cerca esté una persona del epicentro. . Se llama detección acústica distribuida, o DAS. Aunque el campo aún está en su infancia, DAS podría aprovechar los cables de fibra óptica enterrados bajo nuestros pies como una red ultrasensible y en expansión para detectar ondas sísmicas. Estos cables se utilizan para telecomunicaciones, pero se pueden reutilizar para detectar terremotos y erupciones volcánicas porque el movimiento del suelo interrumpe levemente la luz que viaja a través del cable, creando una señal distinta.

DAS no puede predecir terremotos; solo detecta temblores tempranos. "Cualquier sistema, ya sea un sismómetro o un cable de fibra óptica, no puede detectar cosas antes de que sucedan en el sensor", dice el geocientífico Philippe Jousset del Centro Alemán de Investigación de Geociencias, que ha utilizado DAS para detectar actividad volcánica en el Monte Etna de Italia. "Tenemos que tener el sensor lo más cerca posible de una fuente para que podamos detectar temprano. Hay muchos cables en todas partes. Entonces, si pudiéramos monitorearlos todos a la vez, obtendríamos información tan pronto como suceda algo". ."

Cuando una falla se rompe, dispara diferentes tipos de ondas sísmicas. Las primarias, las ondas P, viajan a 3,7 millas por segundo. Estos no son súper dañinos para los hogares y otras infraestructuras. Las ondas secundarias, u ondas S, son mucho más dañinas y viajan a 2,5 millas por segundo. Aún más destructivas son las ondas superficiales, que se mueven aproximadamente a la misma velocidad que las ondas S o quizás un poco más lentas. Estos se rasgan a lo largo de la superficie de la Tierra, lo que lleva a una deformación dramática del suelo. (Son especialmente destructivos porque su energía se concentra en un plano relativamente plano a lo largo de la superficie, mientras que las ondas P y las ondas S se extienden más tridimensionalmente bajo tierra, distribuyendo su energía).

Los sistemas de alerta temprana de terremotos existentes, como ShakeAlert del Servicio Geológico de los Estados Unidos, utilizan sismómetros para explotar las diferentes velocidades de las ondas sísmicas. ShakeAlert consta de unas 1400 estaciones sísmicas en California, Oregón y Washington, con planes de agregar casi 300 más. Estos monitorean las ondas P de movimiento rápido, que advierten sobre ondas S y ondas superficiales más dañinas en el camino. Si ocurre un terremoto y al menos cuatro estaciones separadas detectan el evento, esa señal se envía a un centro de datos. Si los algoritmos del sistema determinan que el temblor será superior a una magnitud de 5, activará una alerta de emergencia que se enviará a los teléfonos celulares de los residentes locales. (Gracias a una asociación de ShakeAlert con Google, se envía a los usuarios de Android si la magnitud es superior a 4,5).

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Todo este transporte de datos a través de equipos de telecomunicaciones modernos ocurre a la velocidad de la luz, alrededor de 186,000 millas por segundo, que es mucho, mucho más rápido que las ondas sísmicas destructivas. Pero la cantidad de advertencia que recibe un residente depende de qué tan lejos esté del epicentro. Si están justo al tanto, simplemente no hay suficiente tiempo para recibir la alerta antes de que se sientan temblando. Piense en ello como una tormenta eléctrica: cuanto más cerca esté del relámpago, antes escuchará el trueno.

"Todo sucede súper rápido", dice Robert-Michael de Groot, miembro del equipo de operaciones de ShakeAlert en el Centro de Ciencias de Terremotos del USGS. "Si estás lo suficientemente lejos, puedes obtener unos segundos. Y eso es mejor que antes de que existiera la alerta temprana de terremotos, donde básicamente la única señal de que sabías que algo estaba pasando era que el suelo estaba temblando".

Con esos pocos segundos, las personas pueden recoger a sus hijos y meterse debajo de una mesa. ShakeAlert básicamente supera el terremoto, al menos las partes que los humanos experimentan en la superficie como un temblor intenso. "Es una carrera", dice de Groot. "La gente puede sentir un golpe o algo así, pero luego, cuando llega el fuerte temblor, con suerte se habría enviado la alerta y la gente estaría en posición".

DAS funciona con el mismo principio que ShakeAlert, solo que en lugar de sismómetros que monitorean las ondas P, utiliza grandes tramos de cables de fibra óptica. Los científicos pueden obtener autorización para conectar un dispositivo llamado interrogador a cables no utilizados. (Las compañías de telecomunicaciones a menudo depositaron más de lo que terminaron necesitando). Este dispositivo dispara pulsos láser por el cable y analiza pequeños fragmentos de luz que rebotan cuando la fibra se altera. Debido a que los científicos conocen la velocidad de la luz, pueden identificar perturbaciones en función del tiempo que tardó la señal en volver al interrogador.

En lugar de tomar medidas sísmicas en un solo punto, como lo hace un sismómetro, DAS es más como una cadena de millas de largo que forma un sensor de terremotos gigante. Si hay un montón de cables zigzagueando por una región, mucho mejor. "Una de las grandes ventajas de DAS es que muchos de esos cables ya están allí, por lo que están fácilmente disponibles", dice Sunyoung Park, sismólogo de la Universidad de Chicago.

DAS también puede recopilar datos donde no hay estaciones sísmicas adecuadas, como áreas rurales que tienen cables de fibra óptica que se extienden debajo de ellas. Debido a que esos cables también están bajo el mar, a lo largo de las costas y conectando continentes a través de los océanos, también pueden detectar terremotos allí. Para esos lapsos más largos, los investigadores usan "repetidores", dispositivos ya colocados cada 40 millas más o menos a lo largo de los cables que aumentan las señales. En este caso, en lugar de analizar la luz que rebota hacia un interrogador, analizan la señal que llega a cada repetidor.

El año pasado, los científicos describieron cómo usaron un cable que se extiende desde el Reino Unido hasta Canadá para detectar terremotos en Perú. La técnica era tan sensible que el cable incluso recogió el movimiento de las mareas, lo que significa que podría usarse potencialmente para detectar también tsunamis generados por terremotos submarinos.

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Y el mes pasado en la revista Scientific Reports, un equipo separado de investigadores describió cómo usaron cables submarinos frente a las costas de Chile, Grecia y Francia para detectar terremotos. Compararon estos datos con datos de sismómetros que monitorearon los mismos eventos y coincidieron bien. "Podemos, en tiempo real mientras ocurre el terremoto, analizar las señales registradas usando fibras ópticas y estimar la magnitud del terremoto", dice Itzhak Lior, sismólogo de la Universidad Hebrea de Israel y autor principal del artículo. "El cambio de juego aquí es que podemos estimar la magnitud cada 10 metros a lo largo de la fibra".

Debido a que un sismómetro tradicional mide en un solo punto, puede verse afectado por el ruido de datos localizados, como el que causan los vehículos grandes que pasan. "Si tiene fibras, en realidad puede distinguir con bastante facilidad un terremoto del ruido, porque un terremoto se registra casi instantáneamente a lo largo de cientos de metros", dice Lior. "Si se trata de una fuente de ruido local, como un automóvil, un tren o lo que sea, solo se ve en unas pocas decenas de metros".

Básicamente, DAS aumenta significativamente la resolución de los datos sísmicos. Eso no quiere decir que sería un reemplazo para estos instrumentos de alta precisión, sino más bien un complemento para ellos. La idea general es acercar más detectores sísmicos a los epicentros de los terremotos, mejorando la cobertura. "En ese sentido, realmente no importa si tienes sismómetros o DAS", dice Lior. "Cuanto más cerca estés del terremoto, mejor".

Y la investigación de DAS tiene algunos desafíos que enfrentar, en particular que los cables de fibra óptica no fueron diseñados para detectar actividad sísmica, sino para transportar información. "Uno de los problemas con los cables DAS es que no son necesariamente lo que llamamos 'bien acoplados' al suelo", dice Park, lo que significa que las líneas pueden colocarse holgadamente en las tuberías, mientras que un sismómetro adecuado está finamente ajustado y situado para detectar rumores. Los científicos están investigando cómo podría cambiar la recopilación de datos de un cable dependiendo de cómo se coloque bajo tierra. Pero debido a que hay tantas millas de fibra óptica, especialmente en áreas urbanas, los científicos tienen muchas opciones. "Dado que es tan denso, tienes muchos datos con los que jugar", dice Park.

Otro obstáculo, dice el geofísico Ariel Lellouch, que estudia DAS en la Universidad de Tel Aviv, es que disparar constantemente pulsos de láser a través de la fibra óptica y analizar lo que regresa a los interrogadores crea una enorme cantidad de información para analizar. "Solo la gran cantidad de datos que adquiere y el procesamiento significa que probablemente tendrá que hacer una gran cantidad en el sitio", dice Lellouch. "Es decir, no puede darse el lujo de cargar todos los datos en Internet y luego procesarlos en una ubicación centralizada. Porque para el momento en que los cargue, el terremoto ya los habría superado".

En el futuro, ese procesamiento podría ocurrir en los propios interrogadores, creando una red de detectores en funcionamiento continuo. La misma fibra óptica que le brinda Internet bien podría brindarle valiosos segundos de advertencia adicional para prepararse para un terremoto.