Los cables submarinos de telecomunicaciones crean una excelente red sísmica

Sep 30, 2023

Los océanos están atravesados ​​por cables de telecomunicaciones, como ilustra este gráfico que predice los cables de fibra óptica que estarán operativos para 2021, muchos de ellos (amarillos) propiedad de empresas privadas como Google y Microsoft. Estos cables podrían cumplir un doble propósito como estaciones sísmicas para monitorear terremotos y sistemas de fallas en el 70% de la Tierra cubierta por agua. (Gráfico cortesía del New York Times)

Los cables de fibra óptica que constituyen una red mundial de telecomunicaciones submarinas podrían algún día ayudar a los científicos a estudiar los terremotos en alta mar y las estructuras geológicas ocultas en las profundidades de la superficie del océano.

En un artículo que aparece esta semana en la revista Science, investigadores de la Universidad de California, Berkeley, el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), el Instituto de Investigación del Acuario de la Bahía de Monterey (MBARI) y la Universidad Rice describen un experimento que convirtió 20 kilómetros de fibra submarina -cable óptico en el equivalente de 10.000 estaciones sísmicas a lo largo del fondo del océano. Durante su experimento de cuatro días en la bahía de Monterey, registraron un terremoto de magnitud 3,5 y una dispersión sísmica de las zonas de fallas submarinas.

Su técnica, que habían probado previamente con cables de fibra óptica en tierra, podría proporcionar datos muy necesarios sobre los terremotos que ocurren bajo el mar, donde existen pocas estaciones sísmicas, dejando el 70% de la superficie de la Tierra sin detectores de terremotos.

"Hay una gran necesidad de sismología del fondo marino. Cualquier instrumentación que saque al océano, incluso si es solo para los primeros 50 kilómetros desde la costa, será muy útil", dijo Nate Lindsey, estudiante graduado de UC Berkeley y autor principal. del papel

Lindsey y Jonathan Ajo-Franklin, profesor de geofísica en la Universidad Rice en Houston y científico de la facultad en Berkeley Lab, dirigieron el experimento con la ayuda de Craig Dawe de MBARI, propietario del cable de fibra óptica. El cable se extiende 52 kilómetros mar adentro hasta la primera estación sísmica jamás colocada en el fondo del Océano Pacífico, instalada allí hace 17 años por MBARI y Barbara Romanowicz, profesora de la Escuela de Graduados en el Departamento de Ciencias Planetarias y de la Tierra de UC Berkeley. En 2009, se tendió un cable permanente al nodo del Sistema de Investigación Acelerada de Monterey (MARS), 20 kilómetros de los cuales se utilizaron en esta prueba mientras estaba fuera de línea para el mantenimiento anual en marzo de 2018.

Los investigadores emplearon 20 kilómetros (rosa) de un cable submarino de fibra óptica de 51 kilómetros, normalmente utilizado para comunicarse con un nodo científico en alta mar (MARS, Sistema de Investigación Acelerada de Monterey), como matriz sísmica para estudiar las zonas de falla debajo de la Bahía de Monterey . Durante la prueba de cuatro días, los científicos detectaron un terremoto de magnitud 3,5 a 45 kilómetros de distancia en Gilroy y mapearon zonas de fallas previamente inexploradas (círculo amarillo). (Imagen de Nate Lindsey)

"Este es realmente un estudio en la frontera de la sismología, la primera vez que alguien ha utilizado cables de fibra óptica en alta mar para observar este tipo de señales oceanográficas o para obtener imágenes de estructuras de fallas", dijo Ajo-Franklin. “Uno de los espacios en blanco en la red sismográfica mundial está en los océanos”.

El objetivo final de los esfuerzos de los investigadores, dijo, es utilizar las densas redes de fibra óptica de todo el mundo (probablemente más de 10 millones de kilómetros en total, tanto en tierra como bajo el mar) como medidas sensibles del movimiento de la Tierra, lo que permite monitoreo de terremotos en regiones que no tienen estaciones terrestres costosas como las que salpican gran parte de California y la costa del Pacífico propensas a terremotos.

"La red sísmica existente tiende a tener instrumentos de alta precisión, pero es relativamente escasa, mientras que esto le da acceso a una matriz mucho más densa", dijo Ajo-Franklin.

La técnica que utilizan los investigadores es la detección acústica distribuida, que emplea un dispositivo fotónico que envía pulsos cortos de luz láser por el cable y detecta la retrodispersión creada por la tensión en el cable causada por el estiramiento. Con la interferometría, pueden medir la retrodispersión cada 2 metros (6 pies), convirtiendo efectivamente un cable de 20 kilómetros en 10 000 sensores de movimiento individuales.

El observatorio cableado del Sistema de Investigación Acelerada de Monterey (MARS), un nodo para instrumentos científicos en el fondo del océano a 891 metros (2,923 pies) por debajo de la superficie de la Bahía de Monterey, está conectado a la costa por un cable submarino de 52 kilómetros (32 millas) que transporta datos y energía. Se utilizaron unos 20 kilómetros del cable para probar la sismología fotónica en el fondo marino. (Copyright MBARI, 2009)

"Estos sistemas son sensibles a cambios de nanómetros a cientos de picómetros por cada metro de longitud", dijo Ajo-Franklin. "Ese es un cambio de una parte en mil millones".

A principios de este año, informaron los resultados de una prueba de seis meses en tierra utilizando 22 kilómetros de cable cerca de Sacramento colocado por el Departamento de Energía como parte de su banco de pruebas de fibra oscura ESnet de 13,000 millas. La fibra oscura se refiere a los cables ópticos tendidos bajo tierra, pero sin usar o alquilados para uso a corto plazo, en contraste con el Internet "encendido" que se usa activamente. Los investigadores pudieron monitorear la actividad sísmica y el ruido ambiental y obtener imágenes del subsuelo a una resolución más alta y una escala mayor de lo que hubiera sido posible con una red de sensores tradicional.

"La belleza de la sismología de fibra óptica es que se pueden utilizar los cables de telecomunicaciones existentes sin tener que apagar 10.000 sismómetros", dijo Lindsey. "Simplemente camina hacia el sitio y conecta el instrumento al final de la fibra".

Durante la prueba submarina, pudieron medir una amplia gama de frecuencias de ondas sísmicas de un terremoto de magnitud 3,4 que ocurrió 45 kilómetros tierra adentro cerca de Gilroy, California, y mapear múltiples zonas de fallas submarinas conocidas y previamente no mapeadas, parte de la falla de San Gregorio. sistema. También fueron capaces de detectar olas oceánicas en estado estacionario, los llamados microsismos oceánicos, así como olas de tormenta, todas las cuales coincidieron con las mediciones sísmicas terrestres y de boyas.

"Tenemos enormes lagunas de conocimiento sobre los procesos en el fondo del océano y la estructura de la corteza oceánica porque es un desafío colocar instrumentos como sismómetros en el fondo del mar", dijo Michael Manga, profesor de ciencias planetarias y terrestres de UC Berkeley. "Esta investigación muestra la promesa de usar cables de fibra óptica existentes como conjuntos de sensores para obtener imágenes de nuevas maneras. Aquí, identificaron ondas previamente hipotéticas que no se habían detectado antes".

Según Lindsey, existe un creciente interés entre los sismólogos por registrar el campo de ruido ambiental de la Tierra causado por las interacciones entre el océano y la tierra continental: esencialmente, olas chapoteando cerca de las costas.

"Mediante el uso de estos cables de fibra óptica costeros, básicamente podemos observar las olas que estamos acostumbrados a ver desde la costa mapeadas en el fondo marino, y la forma en que estas olas del océano se acoplan a la Tierra para crear ondas sísmicas", dijo.

Para hacer uso de los cables de fibra óptica iluminados del mundo, Lindsey y Ajo-Franklin deben demostrar que pueden enviar pulsos láser a través de un canal sin interferir con otros canales en la fibra que transportan paquetes de datos independientes. Ahora están realizando experimentos con fibras encendidas, mientras también planifican el monitoreo de eventos sísmicos con fibra óptica en un área geotérmica al sur del Mar de Salton en el sur de California, en la zona sísmica de Brawley.

La investigación fue financiada por el Departamento de Energía de EE. UU. a través del programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio de Berkeley Lab, la Fundación Nacional de Ciencias (DGE 1106400) y la Fundación David y Lucille Packard. El análisis final fue respaldado por el Laboratorio Nacional de Tecnología Energética del Departamento de Energía como parte del proyecto GoMCarb (DE-AC02-05CH11231).