Auf Shan Dous Schreibtisch stehen drei ordentliche Festplattentürme. Sie sind in wenigen Monaten gefüllt und enthalten etwa 500 Terabyte an seismischen Daten. Es ist eine unglaubliche Menge an Daten, die gesammelt und verarbeitet werden muss - etwas mehr als die Menge, die derzeit im nationalen Speicher für seismische Daten gespeichert ist, dessen Archiv aus dem Jahr 1970 stammt.
Woher kommen all diese Informationen? Die Antwort liegt unter Ihren Füßen: Glasfaser.
Dou ist ein Postdoktorand am Lawrence Berkeley National Laboratory, der daran arbeitet, die tausenden Kilometer Glasfaserkabel, die den Globus durchqueren, für die Überwachung von Erdrutschen, Permafrosteinbrüchen, Senklöchern und sogar Änderungen des eingebrachten Kohlendioxids zu nutzen. In einer neuen Studie, die auf Dous Grundlagenarbeit basiert und im letzten Monat in der Zeitschrift Geophysical Research Letters veröffentlicht wurde, untersuchten die Forscher das Potenzial und die Vielseitigkeit der Fasern, um eine bestimmte Gefahr zu erkennen: Erdbeben.
Um die winzigen Erschütterungen im Boden aufzuspüren, verwenden Forscher häufig empfindliche Instrumente, sogenannte Seismometer. Jede dieser Einheiten kann jedoch teuer in der Installation und schwierig zu warten sein. Und sie können nicht immer verwendet werden, erklärt Nate Lindsey, Doktorandin an der University of California, Berkeley's Seismological Lab und Hauptautorin der neuen Studie. "Es gibt Bereiche, in denen es wichtig sein könnte, ein Seismometer aufzustellen - ich denke offshore, ich denke urban -, in denen es logistisch und sicherheitstechnisch schwierig ist", sagt er.
Nate Lindsey schneidet Kabel an der Richmond Field Station (mit freundlicher Genehmigung von Jonathan Ajo-Franklin) Hier kommen Glasfaser - und die Berge der Daten - ins Spiel. Tausende Glasfaserleitungen durchziehen unser Land und erstrecken sich sogar bis in die Ozeane. Wenn Forscher dieses System für die Erdbebenüberwachung nutzen können, bietet es eine beispiellose Menge an Informationen, sagt Dou, die mit Lindsey an der UC Berkeley zusammengearbeitet hat, als sie ihre Promotion abgeschlossen hat.
Die Idee ist ziemlich einfach. Viele Glasfaserunternehmen installieren mehr Glasfaserkabel als sie benötigen, was zu einem System sogenannter "dunkler Fasern" führt - Fasern, die in unterirdischen Leitungen gebündelt sind -, die für alternative Zwecke wie die Erdbebensuche eingesetzt werden könnten. Aber jede dieser Glasfaserleitungen ist unvollkommen. Wenn Sie ein Licht über die einzelnen Glasfaserstränge strahlen, wird ein Teil des Lichts von diesen Unvollkommenheiten in der Struktur zurückgeworfen. Die Forscher können an einem Ende der Leitung ein sogenanntes Laserinterferometer anbringen, um Änderungen an diesen zurückgesendeten Schimmern zu senden und zu messen. Dabei können winzige Kompressionen oder Verlängerungen der Kabel aufgrund von Vibrationen des Bodens festgestellt werden.
„Jeder Meter Glasfaser in unserem Netzwerk wirkt wie ein Sensor und kostet weniger als einen Dollar für die Installation“, heißt es in einer Pressemitteilung von Biondo Biondi, Geophysiker bei Stanford und Autor des neuen Papiers. "Mit herkömmlichen Seismometern mit einer solchen Abdeckung, Dichte und einem solchen Preis wird man niemals ein Netzwerk aufbauen können."
"Das ist das Schöne daran", erklärt Dou. "Wir müssen nichts Besonderes machen, sondern nur etwas kaufen, das für die Telekommunikation bereits weit verbreitet ist."
Aber genau herauszufinden, wie diese Fasern für die Erdbebenerkennung verwendet werden, erfordert ein wenig mehr Arbeit. Ein großes Unbekanntes ist die Empfindlichkeit. Diese Verwendung von Glasfasern zur Messung von Bodenschwingungen ergab sich aus der Öl- und Gasindustrie, die die Leitungen zur Überwachung von Pipelines und Bohrlöchern nutzte, indem sie beispielsweise auf das Rumpeln herannahender Fahrzeuge lauschte. Zu diesem Zweck werden die Glasfasern jedoch normalerweise in den Boden „eingekoppelt“ oder zementiert, was zu einer effizienteren Übertragung der Stöße und Erschütterungen der Erde auf die Glasfasern führt.
"Die Leute glaubten nicht, dass dies funktionieren würde", sagt Eileen Martin, Doktorandin in Biondis Labor und eine weitere Autorin auf dem Papier. „Sie gingen immer davon aus, dass eine ungekoppelte Glasfaser zu viel Signalrauschen erzeugen würde, um nützlich zu sein.“ Erste Tests, die in Zusammenarbeit zwischen Stanford, UC Berkeley und Berkeley National Lab durchgeführt wurden, sind jedoch vielversprechend.
Die UC Berkeley-Forscher haben fünf Jahre lang daran gearbeitet, den Untergrund mithilfe von Glasfasern zu überwachen und Umgebungsgeräusche wie das Vorbeifahren an Autos mit den Fasern aufzuzeichnen, um die Änderungen wichtiger Merkmale wie den Grundwasserspiegel zu untersuchen. (Im September veröffentlichte das Team diese Arbeit in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern des Forschungslabors für kalte Regionen der US-Armee in Alaska und der Stanford University in der Zeitschrift Scientific Reports . ) Für die neue Studie zum faseroptischen Potenzial für die Erdbebenüberwachung verglichen die Wissenschaftler Erdbebenbeobachtungen mit drei verschiedenen Glasfaser-Arrays, darunter vergrabene Glasfaserleitungen in der Nähe von Fairbanks, Alaska, vergrabene L-förmige Leitungen in Richmond, Kalifornien, und eine unter Stanfords Campus verlaufende 8-Schleife, die in einer vorhandenen Telekommunikationsleitung installiert ist.
Jonathan Ajo-Franklin (links) installiert eine experimentelle Glasfaser-Testanordnung an der Richmond Field Station. (Mit freundlicher Genehmigung von Jonathan Ajo-Franklin) Das Team hat eine Reihe von Ereignissen in allen drei Systemen aufgezeichnet. Alleine in der Stanford-Schleife haben Forscher seit Beginn der Datenerfassung im September 2016 mehr als 800 Temblors katalogisiert und die Signale in den Daten nach Ablauf der Ereignisse herausgesucht. "Wir können sie aus Mexiko sehen, aus Italien, aus Oklahoma ... sowie aus winzigen Kindern auf dem Stanford-Campus", sagt Biondi.
Die Karte zeigt die Position einer 3 Meilen (1, 6 km) langen Schleife aus Glasfasern, die unter dem Stanford-Campus als Teil des seismischen Observatoriums für Glasfasern installiert ist. (Staubblatt Design und das Victoria and Albert Museum) Insgesamt sind die Ergebnisse ermutigend. Laut Biondi "sind möglicherweise alle Teile vorhanden", aber es muss noch mehr Arbeit geleistet werden, um das System in Betrieb zu nehmen.
Gegenwärtig testen Lindsey und sein Team in Sacramento, Kalifornien, im Besitz der Firma Level 3 Communications, die vor kurzem von CenturyLink gekauft wurde, die Leistungsfähigkeit von Glasfasern in 21 Meilen dunklen Glasfasern. Sie vergleichen ihr gemessenes Signal mit herkömmlichen Seismometern.
"Der Vergleich ist gut", sagt Lindsey. "Es gibt noch viel zu erforschen, um die Vor- und Nachteile der Lichtwellenleiter-Erkennung zu verstehen und zu klären. Der Lichtwellenleiter-Sensor enthält jedoch ein Signal, das über dem Rauschpegel liegt und nützlich ist." Sie bereiten ein Manuskript zu diesem Projekt vor, um es nächsten Monat in einem von Fachleuten geprüften Journal zu veröffentlichen.
Die Empfindlichkeit ist nach wie vor von Bedeutung für die weitverbreitete Anwendung der faseroptischen Erdbebenerfassung. "Momentan ist die Empfindlichkeit der Faser tendenziell geringer als bei herkömmlichen Seismometern", sagt Dou. Andere Kollegen, so stellt sie fest, untersuchen derzeit Möglichkeiten zur Verbesserung der Glasfasererkennungsfähigkeiten. Es gibt auch viele Unbekannte über die Installationsbedingungen bestehender Telekommunikationsnetze. Kleine Änderungen, wie die Anzahl der Glasfaserkabel in einem Kabelkanal, können die Erkennung und damit die Fähigkeit der Glasfaser beeinflussen, genaue Informationen über Erdbeben weiterzuleiten.
Ebenso wichtig ist die Notwendigkeit, Methoden zu entwickeln, um so große Datenmengen in Echtzeit zu verarbeiten und zu analysieren. "Es ist ein großartiger Spielplatz für die Arbeit mit Daten", sagt Lindsey. "Aber ich freue mich auf den Tag, an dem Studenten keine Koffer mit Festplatten benötigen, um diese Art von Problem zu lösen."
Für Clay Kirkendall, einen Forscher der Marine, der in den letzten 20 Jahren mit Glasfasersensoren gearbeitet hat, bleiben die Kosten mit dem neuen System ein Problem. "Sicher sind die Fasern schon da und das ist ein großer Teil der Kosten", sagt Kirkendall, der nicht Teil der Studie war. Aber Sie brauchen immer noch ein Gerät, mit dem Sie das Licht über die Leitungen lenken und die zurückkommenden Signale messen können - und wenn Sie diesen Aspekt des Systems nicht beachten, kann dies die Empfindlichkeit beeinträchtigen, sagt er. Es ist unklar, wie viel hochwertige Laser-Interrogatoren im Moment kosten werden, aber Biondi hofft, dass die Kosten dieser Systeme mit fortschreitender Technologie sinken werden.
Wenn die Forscher diese Probleme lösen können, könnten Glasfasern eine Lösung für die zahlreichen Herausforderungen der Erdbebenüberwachung darstellen. Diese Technologie könnte besonders nützlich sein, um Systeme zu verbessern, die Gemeinden vor Erdbeben in der Nähe warnen, um ihnen nur einen Bruchteil der zusätzlichen Zeit für die Vorbereitung auf den Ruck zu geben. Die positiven Auswirkungen - und Misserfolge - solcher Netzwerke wurden Anfang dieses Jahres in der Reihe der Beben in Mexiko hervorgehoben.
Das seismische Glasfaserobservatorium hat das Erdbeben der Stärke 8, 2 in Zentralmexiko am 8. September 2017 erfolgreich erfasst. (Siyuan Yuan) Das mexikanische Seismic Alert System (SASMEX) ist das erste Frühwarnsystem, das die Öffentlichkeit über anstehende Erdbeben informiert. Ein Netzwerk von Seismometern, das traditionell zur Überwachung von Erdbeben, gesprenkelten Landesteilen und zur Überwachung von Zittern eingesetzt wird. Sobald dieses Netzwerk etwas registriert, das groß genug für potenzielle Bedenken ist, erlischt die Warnung, die den eingehenden Ruck von Sekunden bis zu einer vollen Minute anzeigen kann.
Lindsey betont, dass die Idee nicht darin besteht, bestehende Systeme zu ersetzen - "im besten Fall ist die Faseroptik möglicherweise nicht so gut wie das beste Seismometer" -, sondern sie zu verbessern. "Wir sehen die Glasfaserseismologie als eine großartige Ergänzung zu den Erdbeben-Frühwarntechniken, die derzeit auf der ganzen Welt aufgebaut werden", sagt er.
Obwohl noch viel zu tun ist, sind Forscherteams und viele Universitäten in der Sache. "Dies ist insgesamt ein größeres Unterfangen", sagt Dou und bemerkt, dass ein Team bei CalTech an ähnlichen Dark-Fiber-Projekten arbeitet.
"Es ist ein sich rasant entwickelndes Feld, und wir haben das Glück, eine Vorreiterposition einzunehmen", sagt sie.
