За секунду до… Как оптоволоконные кабели могут предупредить о землетрясении

Недавнее землетрясение магнитудой 7,8 балла в Турции и Сирии стало жестоким напоминанием о том, что глубоко внутри наша планета Земля всё ещё скрывает секреты. Учёные прекрасно знают, что активные тектонические разломы приводят к землетрясениям как результат выброса энергии во время быстрого скольжения вдоль линии разлома. Но в точности предсказать, когда произойдёт следующее сотрясение и насколько сильным оно будет, сейсмологи пока не способны. Если бы такие прогнозы были возможны, число погибших сейчас бы не превысило 50 000 человек (спасатели до сих пор ищут под завалами выживших).

Тем не менее в последние годы учёные добились немалого прогресса в разработке систем раннего оповещения о землетрясениях, в которых сейсмометры обнаруживают эпицентр и отправляют оповещения прямо на телефоны людей. Но, к сожалению, пока что такие системы способны оповещать людей не за дни или часы, а лишь за секунды до предполагаемого толчка. Сейсмические удары планеты слишком внезапны, но даже несколько секунд форы могут спасти тысячи людей, предоставив дополнительное время для подготовки к приближающемуся землетрясению. Идут работы по улучшению этих систем раннего оповещения, но результат всё равно будет порядка нескольких секунд, в зависимости от того, насколько близко к эпицентру человек окажется.

Новый метод называется распределённым акустическим зондированием или distributed acoustic sensing (DAS). Хотя эта разработка ещё находится в зачаточном состоянии, DAS может подключиться к оптоволоконным кабелям, как к разветвлённой сверхчувствительной сети, для обнаружения сейсмических волн. Эти кабели используются для телекоммуникаций, но их можно перепрофилировать для обнаружения землетрясений и извержений вулканов, потому что движение земли слегка нарушает движение света, проходящий по кабелю, создавая отчётливый сигнал.

❯ Системы раннего оповещения

Когда произойдут землетрясения предсказать в принципе нельзя. Любая система, будь то сейсмометр или оптоволоконный кабель, не может обнаружить вещи до того, как они произойдут. Но их можно обнаружить на ранней стадии и успеть подготовиться. А для этого нужно иметь датчик, расположенный как можно ближе к эпицентру. Как говорится, пальцем в небо (или землю). Но оптоволоконных кабелей много, и проходят они почти везде. Так что, если можно было использовать все оптоволоконные кабели для обнаружения землетрясений, то можно было бы получать информацию о потенциальных эпицентрах.

Первичные или P-волны, движутся со скоростью 6 км/с. Они не наносят большого ущерба домам и другой инфраструктуре. Вторичные волны, или S-волны, гораздо более опасны, они распространяются со скоростью 4 км/с. Ещё более разрушительными являются поверхностные волны, которые движутся примерно с той же скоростью, что и S-волны. Они распространяются по поверхности земли, что приводит к резкой деформации коры. Они особенно разрушительны, потому что их энергия концентрируется на относительно плоской поверхности вдоль поверхности, тогда как P-волны и S-волны распространяются более “трехмерно” в толще земли, распределяя и рассеивая свою энергию.

Существующие системы раннего предупреждения землетрясений (Earthquake early warning, EEW) такие, как ShakeAlert Геологической службы США, используют сейсмометры для использования различных скоростей сейсмических волн. ShakeAlert включает в себя около 1400 сейсмических станций в Калифорнии, Орегоне и Вашингтоне, и планирует добавить ещё около 300. Они отслеживают быстро движущиеся P-волны, которые предупреждают о более опасных S-волнах и поверхностных волнах. Если происходит землетрясение и по крайней мере четыре отдельные станции обнаруживают событие, этот сигнал отправляется в центр обработки данных. Если алгоритмы системы определят, что подземные толчки превышают 4,5 баллов, то будет сделано экстренное оповещение, которое будет отправлено на сотовые телефоны местных жителей.

❯ Wat ist DAS?

DAS работает по тому же принципу, что и ShakeAlert, только вместо сейсмометров, отслеживающих P-волны, использует большие пролёты оптоволоконных кабелей. Передача данных через современное телекоммуникационное оборудование происходит со скоростью света, что очевидно намного быстрее сейсмических волн. Но то, насколько раньше получат жители предупреждения, зависит от того, насколько далеко они находятся от эпицентра. Если они находятся совсем близко, у них просто не будет достаточно времени, чтобы получить предупреждение раньше землетрясения.

Телекоммуникационные компании часто закладывают больше кабелей, чем им в конечном итоге необходимо. Учёные могут получить разрешение на подключение устройства, называемого опросчиком, к неиспользуемым кабелям. Это устройство запускает лазерные импульсы по проводу и анализирует частицы света, которые отражаются, когда на волокно воздействует деформация грунта. Поскольку учёные знают скорость света, они могут точно определять возмущения, основываясь на времени, которое потребовалось сигналу, чтобы вернуться к опросчику. Из-за небольших неоднородностей внутри волокна часть прошедшего света рассеивается обратно за счёт Рэлеевского рассеяния. Когда сейсмические волны воздействуют на кабель, неоднородности вдоль волокна меняют свое положение, и меняется обратное Рэлеевское рассеяния. Разности фаз обратного рассеяния между временными отсчётами затем переводятся в измерения деформации или скорости деформации на расстоянии в несколько метров вдоль волокон длиной в десятки километров. Этот метод позволяет преобразовать любое оптическое волокно в плотный массив сейсмоакустических датчиков, производя измерения с беспрецедентным пространственным и временным разрешением.

Вместо того чтобы проводить сейсмические измерения в одной точке, как это делает сейсмометр, DAS больше похож на струну длиной в несколько километров, которая образует один гигантский датчик землетрясений. Если есть множество кабелей, петляющих по региону, тем лучше. Одним из больших преимуществ DAS является то, что многие из таких кабелей уже есть, поэтому они легко доступны. DAS также может собирать данные там, где нет подходящих сейсмических станций, например, в сельской местности, где под ними протянуты оптоволоконные кабели. Поскольку эти кабели также находятся под водой — они проходят вдоль береговой линии и соединяют континенты через океаны — они также могут улавливать землетрясения. Для более длинных пролётов исследователи используют «репитеры», устройства, уже размещённые каждые 60 км вдоль кабелей, которые усиливают сигналы. В этом случае, вместо того, чтобы анализировать свет, отражающийся от опросчика, они анализируют сигнал, который достигает каждого повторителя.

В 2022 году учёные использовали кабель, протянувшийся от Великобритании до Канады, для обнаружения землетрясений в Перу. Этот метод был настолько чувствителен, что кабель улавливал даже движение приливов, а это означало, что его потенциально можно использовать для обнаружения цунами, вызванных подводными землетрясениями. В Scientific Reports отдельная группа исследователей описала, как они использовали подводные кабели у берегов Чили, Греции и Франции для обнаружения землетрясений. Они сравнили эти данные с данными сейсмометров, которые отслеживали те же события, и они хорошо совпали. Разница результатов кабелей от сейсмометров заключалась в том, что они могли оценивать магнитуду через каждые 10 метров вдоль волокна.

Поскольку традиционный сейсмометр измеряет в одной точке, он может искажаться локальным шумом данных, например, вызванным проезжающими мимо крупными транспортными средствами. Если же есть волокна, то можно довольно легко отличить землетрясение от шума, потому что землетрясение почти мгновенно регистрируется на расстоянии сотен метров. Если это какой-то локальный источник шума, например, автомобиль, поезд или что-то ещё, это видно только на нескольких десятках метров.

По сути, DAS значительно увеличивает точность сейсмических данных. Это не значит, что он заменит эти сейсмометры и другие приборы — скорее, дополнит их. Общая идея состоит в том, чтобы просто разместить больше сейсмических детекторов ближе к эпицентрам землетрясений, улучшив охват.

❯ Недостатки технологии

У исследований DAS есть несколько проблем, с которыми нужно бороться, в частности, с тем, что оптоволоконные кабели не были предназначены для обнаружения сейсмической активности — они были разработаны для передачи информации. Оптоволоконные линии могут быть рандомно проложены в трубопроводе, в то время как сейсмометр точно настроен и расположен для обнаружения землетрясений. Учёные исследуют, как сбор данных по кабелю может меняться в зависимости от того, как он проложен под землей.

Еще одно препятствие заключается в том, что постоянное пускание лазерных импульсов по оптоволокну и анализ того, что возвращается к исследователям, создает большое количество информации для анализа. Огромный объём данных и их обработка означают, что придётся выполнять большую часть работы на месте и в реальном времени. Это означает, что исследователи не могут позволить себе загружать все данные в Интернет, а затем обрабатывать их в каком-то централизованном месте. В будущем эта обработка может фактически происходить в самих опросчиках, создавая сеть постоянно работающих детекторов. Та же оптоволоконная оптика, которая даёт доступ в Интернет, вполне может выиграть драгоценные секунды дополнительного времени для подготовки к землетрясению.

Что делать если вы почувствовали сильное землетрясение?

• Во время землетрясения большинство смертей и травм вызвано обрушением строительных материалов и падающими тяжелыми предметами, такими как шкафы и бытовая техника. Если вы оказались внутри здания в зоне сильных землетрясений, то НЕМЕДЛЕННО ОПУСТИТЕСЬ на руки и колени. Эта позиция защитит вас от падения, но всё же позволит вам двигаться, если это необходимо.
• УКРОЙТЕ голову и шею (и, если возможно, всё тело) под прочным столом. Если поблизости нет укрытия, присядьте возле внутренней стены или рядом с низко расположенной мебелью, которая не упадёт на вас, и прикройте голову и шею руками и ладонями. Старайтесь держаться подальше от окон или стекол, которые могут разбиться, или предметов, которые могут упасть на вас.
• ДЕРЖИТЕСЬ за своё убежище (или за голову и шею), пока тряска не прекратится. Будьте готовы двигаться вместе со своим убежищем, если тряска сдвинет его с места.