Sulla scrivania di Shan Dou si trovano tre torri ordinate di dischi rigidi. Riempiti in pochi mesi, contengono circa 500 terabyte di dati sismici. È una quantità incredibilmente enorme di dati da raccogliere ed elaborare, leggermente più della quantità attualmente conservata nel repository nazionale di dati sismici, che ha un archivio risalente al 1970.
Da dove provengono tutte queste informazioni? La risposta sta sotto i tuoi piedi: fibra ottica.
Dou è un ricercatore post dottorato presso il Lawrence Berkeley National Laboratory che lavora per mettere le migliaia di miglia di cavi in fibra ottica che attraversano il globo da utilizzare nella consapevolezza del rischio geografico, monitorando frane, crolli di permafrost, doline e persino cambiamenti nell'anidride carbonica iniettata. Ma in un nuovo studio, basato sul lavoro di base di Dou e pubblicato il mese scorso sulla rivista Geophysical Research Letters, i ricercatori hanno accennato al potenziale e alla versatilità delle fibre per rilevare un rischio particolare: i terremoti.
Per rilevare i piccoli tremori nel terreno, i ricercatori usano comunemente strumenti sensibili chiamati sismometri. Ma ciascuna di queste unità può essere costosa da installare e difficile da mantenere. E non sono sempre fattibili da usare, spiega Nate Lindsey, dottoranda presso l'Università della California, il laboratorio sismologico di Berkeley e autore principale del nuovo studio. "Ci sono aree in cui potrebbe essere importante mettere un sismometro — sto pensando in mare aperto, sto pensando alle aree urbane — dove è ... difficile dal punto di vista logistico e dal punto di vista della sicurezza", afferma.
Nate Lindsey taglia il cavo alla Richmond Field Station (per gentile concessione di Jonathan Ajo-Franklin) È qui che entrano in gioco le fibre ottiche e le montagne di dati. Migliaia di linee in fibra ottica attraversano il nostro paese, arrivando persino negli oceani. Quindi, se i ricercatori possono sfruttare questo sistema per il monitoraggio dei terremoti, offre una quantità di informazioni senza precedenti, afferma Dou, che ha lavorato con Lindsey alla UC Berkeley mentre stava completando il suo dottorato.
L'idea è abbastanza semplice. Molte aziende di fibre ottiche installano più cavi di fibre ottiche di quante ne necessitino, dando vita a un sistema di cosiddette "fibre scure" - fibre raggruppate in condotti sotterranei - che potrebbero essere utilizzate per scopi alternativi, come il rilevamento dei terremoti. Ma ognuna di queste linee in fibra ottica è imperfetta. Quando si irradia una luce lungo i singoli fili di fibra ottica, queste imperfezioni nella struttura rimbalzano indietro di una frazione della luce. I ricercatori possono apporre ciò che è noto come un interferometro laser a un'estremità della linea per inviare e misurare i cambiamenti in questi bagliori restituiti, discernendo minuscole compressioni o estensioni dei cavi a causa delle vibrazioni del terreno.
"Ogni metro di fibra ottica nella nostra rete si comporta come un sensore e costa meno di un dollaro per l'installazione", afferma Biondo Biondi, geofisico di Stanford e autore del nuovo documento, in un comunicato stampa. "Non sarai mai in grado di creare una rete utilizzando sismometri convenzionali con quel tipo di copertura, densità e prezzo."
"Questa è la bellezza", spiega Dou, "Non dobbiamo fare nulla di speciale, basta acquistare qualcosa che è già ampiamente disponibile per le telecomunicazioni."
Ma capire esattamente come usare quelle fibre per il rilevamento dei terremoti richiede un po 'più di lavoro. Un grande sconosciuto è la sensibilità. Questo uso della fibra ottica per misurare le vibrazioni nel terreno è emerso dall'industria petrolifera e del gas, che ha utilizzato le linee per monitorare condutture e pozzi, facendo cose come ascoltare il rombo dell'avvicinamento dei veicoli. Ma per questi scopi, le fibre ottiche sono di solito "accoppiate" o cementate nel terreno, con il risultato di un trasferimento più efficiente dei brontolii terrestri e delle vibrazioni alle fibre.
"La gente non credeva che avrebbe funzionato", afferma Eileen Martin, uno studente laureato nel laboratorio di Biondi e un altro autore del documento. "Hanno sempre supposto che una fibra ottica non accoppiata avrebbe generato troppo rumore di segnale per essere utile." Ma i test iniziali condotti in collaborazione tra Stanford, UC Berkeley e Berkeley National Lab sono promettenti.
I ricercatori della UC Berkeley hanno lavorato sull'utilizzo delle fibre ottiche per monitorare il sottosuolo per cinque anni, registrando rumori ambientali come il passaggio di automobili con le fibre per studiare i cambiamenti di caratteristiche importanti, come la falda freatica. (A settembre, il team ha pubblicato questo lavoro in collaborazione con scienziati del laboratorio di ricerca e ingegneria delle regioni fredde dell'esercito americano in Alaska e dell'Università di Stanford sulla rivista Scientific Reports . ) Per il nuovo studio del potenziale in fibra ottica per il monitoraggio dei terremoti, gli scienziati hanno confrontato osservazioni di terremoto che utilizzano tre diverse matrici di fibre ottiche, comprese le linee di fibre ottiche sepolte vicino a Fairbanks, in Alaska, le linee a forma di L sepolte a Richmond, in California, e un circuito a forma di 8 installato in un condotto di telecomunicazioni esistente che corre sotto il campus di Stanford.
Jonathan Ajo-Franklin (a sinistra) installa un array sperimentale di test in fibra ottica presso la Richmond Field Station. (Per gentile concessione di Jonathan Ajo-Franklin) Il team ha registrato una serie di eventi in tutti e tre i sistemi. Nel solo ciclo di Stanford, i ricercatori hanno catalogato più di 800 temblor da quando la raccolta dei dati è iniziata a settembre 2016, rilevando i segnali nei dati dopo che gli eventi sono passati. "Possiamo vederli dal Messico, dall'Italia, dall'Oklahoma ... così come quelli piccolissimi nel campus di Stanford", dice Biondi.
La mappa mostra la posizione di un ciclo di 3 miglia, figura 8 di fibre ottiche installato sotto il campus di Stanford come parte dell'osservatorio sismico in fibra ottica. (Stamen Design e il Victoria and Albert Museum) Nel complesso i risultati sono incoraggianti. Come dice Biondi, "potenzialmente tutti i pezzi sono lì", ma occorre altro lavoro per mettere in azione il sistema.
Attualmente, Lindsey e il suo team stanno testando le capacità delle fibre ottiche in 13 miglia di fibra scura a Sacramento, in California, di proprietà della società Level 3 Communications, che è stata recentemente acquistata da CenturyLink. Stanno confrontando il loro segnale misurato con i sismometri tradizionali.
"Il confronto è buono", afferma Lindsey. "C'è molta più ricerca da fare per comprendere e chiarire i vantaggi e gli svantaggi del rilevamento in fibra ottica. Ma c'è un segnale nel sensore in fibra ottica che è al di sopra del livello di rumore e che è utile." Stanno preparando un manoscritto su questo progetto da presentare per la pubblicazione in una rivista peer-review il mese prossimo.
La sensibilità è ancora fonte di preoccupazione per l'applicazione diffusa del rilevamento del terremoto in fibra ottica. "Per il momento, la fibra tende ad avere una sensibilità inferiore rispetto al sismometro convenzionale", afferma Dou. Altri colleghi, osserva, stanno attualmente studiando i modi per migliorare le capacità di rilevamento della fibra ottica. Ci sono anche molte incognite sulle condizioni di installazione delle reti di telecomunicazione esistenti. Piccole modifiche, come il numero di cavi in fibra ottica in un condotto, potrebbero influenzare il rilevamento e quindi la capacità della fibra di trasmettere informazioni accurate sui terremoti.
Altrettanto importante è la necessità di sviluppare metodi per elaborare e analizzare tali grandi quantità di dati in tempo reale. "È un fantastico parco giochi di dati con cui lavorare", afferma Lindsey. "Ma non vedo l'ora che arrivi agli studenti valigie di dischi rigidi per risolvere questo tipo di problema."
Per Clay Kirkendall, un ricercatore della Marina che ha lavorato con sensori a fibra ottica negli ultimi 20 anni, il costo rimane un problema per il nuovo sistema. "Certamente le fibre sono già lì e questa è una grande parte del costo", dice Kirkendall, che non faceva parte dello studio. Ma hai ancora bisogno di un dispositivo per far rimbalzare la luce lungo le linee e misurare i segnali di ritorno - e lesinare questo aspetto del sistema potrebbe sacrificare la sensibilità, dice. Non è chiaro quanto costeranno al momento gli interrogatori laser di alta qualità, ma Biondi spera che, man mano che la tecnologia avanza, il costo di tali sistemi diminuirà.
Se i ricercatori riescono a risolvere questi problemi, le fibre ottiche potrebbero offrire una soluzione alle numerose sfide del monitoraggio dei terremoti. Questa tecnologia potrebbe essere particolarmente utile per migliorare i sistemi che avvertono le comunità dei terremoti vicini per dare loro solo una frazione del tempo extra per prepararsi alla scossa. Gli impatti positivi - e i fallimenti - di tali reti sono stati enfatizzati all'inizio di quest'anno nella serie di terremoti in Messico.
L'osservatorio sismico in fibra ottica ha rilevato con successo il terremoto di magnitudo 8, 2 che ha colpito il Messico centrale l'8 settembre 2017. (Siyuan Yuan) Il sistema di allarme sismico messicano, o SASMEX, è il primo sistema di allerta precoce che notifica al pubblico i terremoti in sospeso. Una rete di sismometri, lo strumento tradizionalmente utilizzato per monitorare i terremoti, macchiettare le sezioni del paese, monitorare i tremori. Non appena questa rete registra qualcosa di abbastanza grande per potenziali preoccupazioni, viene emesso un avviso, che può fornire in qualsiasi momento da un secondo a un minuto di preavviso sulla scossa in arrivo.
Lindsey sottolinea che l'idea non è quella di sostituire i sistemi esistenti - "nella migliore delle ipotesi [fibra ottica] potrebbe non essere buono come il miglior sismometro", osserva, ma piuttosto per migliorarli. "Vediamo la sismologia a fibre ottiche come un ottimo modo per integrare le tecniche di allerta precoce del terremoto, che si stanno sviluppando ora in tutto il pianeta", afferma.
Anche se c'è ancora molto lavoro da fare per far sì che ciò accada, team di ricercatori e molte università sono sul caso. "Questo è davvero collettivamente uno sforzo più grande", afferma Dou, osservando che un team di CalTech sta lavorando a progetti simili in fibra scura.
"È un campo in rapido sviluppo e siamo fortunati ad essere in una posizione pionieristica", afferma.
