Na sismologia tradicional, pesquisadores estudando como a Terra se move nos momentos anteriores, no decorrer, e depois de um terremoto dependem de sensores que custam dezenas de milhares de dólares para fazer e instalar no subsolo. E por causa das despesas e mão de obra envolvida, apenas alguns sensores sísmicos foram instalados em áreas remotas da Califórnia, tornando difícil entender os impactos de futuros terremotos, bem como pequenos terremotos que ocorrem em falhas não mapeadas.

Agora, pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA (Berkeley Lab) descobriram uma maneira de superar esses obstáculos girando partes de um 13, Banco de ensaio de 000 milhas de comprimento de "fibra escura, "cabo de fibra óptica não utilizado de propriedade da DOE Energy Sciences Network (ESnet), em um sensor de atividade sísmica de alta sensibilidade que poderia potencialmente aumentar o desempenho dos sistemas de alerta antecipado de terremotos atualmente em desenvolvimento no oeste dos Estados Unidos. O estudo detalhando o trabalho - o primeiro a empregar uma grande rede regional como um sensor de terremoto - foi publicado esta semana na revista Nature's Relatórios Científicos .

Sacudindo a sismologia com fibra escura

De acordo com Jonathan Ajo-Franklin, um cientista da equipe da Área de Ciências Ambientais e da Terra do Berkeley Lab que liderou o estudo, existem aproximadamente 10 milhões de quilômetros de cabos de fibra ótica em todo o mundo, e cerca de 10 por cento disso consiste em fibra escura.

O grupo Ajo-Franklin vem trabalhando nesse tipo de experimento há vários anos. Em um estudo de 2017, eles instalaram um cabo de fibra óptica em uma trincheira rasa em Richmond, Califórnia, e demonstrou que uma nova tecnologia de detecção chamada sensor acústico distribuído (DAS) poderia ser usada para imagens da subsuperfície rasa. DAS é uma tecnologia que mede campos de ondas sísmicas disparando pulsos de laser curtos em todo o comprimento da fibra. Em um estudo de acompanhamento, eles e um grupo de colaboradores demonstraram pela primeira vez que cabos de fibra óptica podem ser usados ​​como sensores para detectar terremotos.

O estudo atual usa a mesma técnica DAS, mas em vez de implantar seu próprio cabo de fibra óptica, os pesquisadores realizaram seus experimentos em um segmento de 20 milhas do 13, ESnet Dark Fiber Testbed com 000 milhas de comprimento que se estende de West Sacramento a Woodland, Califórnia. "Para verificar melhor nossos resultados do estudo de 2017, sabíamos que precisaríamos executar os testes DAS em uma rede real de fibra escura, "disse Ajo-Franklin, que também chefia o Departamento de Geofísica do Berkeley Lab.

"Quando Jonathan me abordou sobre o uso de nossa mesa de teste de fibra escura, Eu nem sabia que era possível "usar uma rede como sensor, disse Inder Monga, Diretor Executivo da ESnet e diretor da Divisão de Redes Científicas do Berkeley Lab. "Ninguém havia feito esse trabalho antes. Mas as possibilidades eram enormes, então eu disse, 'Certo, vamos fazer isso!"

Chris Tracy, da ESnet, trabalhou em estreita colaboração com os pesquisadores para descobrir a logística de implementação. A empresa de telecomunicações CenturyLink forneceu informações sobre a instalação da fibra.

Como o ESnet Testbed tem cobertura regional, os pesquisadores foram capazes de monitorar a atividade sísmica e o ruído ambiental com mais detalhes do que os estudos anteriores.

"A cobertura do ESnet Dark Fiber Testbed nos forneceu imagens de subsuperfície em uma resolução e escala maior do que seria possível com uma rede de sensores tradicional, "disse a coautora Verónica Rodríguez Tribaldos, um pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Ajo-Franklin. "Redes sísmicas convencionais muitas vezes empregam apenas algumas dezenas de sensores espaçados por vários quilômetros para cobrir uma área tão grande, mas com o ESnet Testbed e DAS, nós temos 10, 000 sensores em linha com espaçamento de dois metros. Isso significa que, com apenas um cabo de fibra ótica, você pode reunir informações muito detalhadas sobre a estrutura do solo ao longo de vários meses. "

Buscando dados no subsolo

Após sete meses de uso do DAS para registrar dados por meio do ESnet Dark Fiber Testbed, os pesquisadores provaram que os benefícios do uso de uma fibra comercial são múltiplos. "Só de ouvir por 40 minutos, esta tecnologia tem potencial para fazer cerca de 10 coisas diferentes ao mesmo tempo. Conseguimos captar ondas de frequência muito baixa de terremotos distantes, bem como as frequências mais altas geradas por veículos próximos, "disse Ajo-Franklin. A tecnologia permitiu aos pesquisadores dizer a diferença entre um carro ou trem em movimento e um terremoto, e para detectar terremotos locais e distantes, de Berkeley a Gilroy a Chiapas, México. A tecnologia também pode ser usada para caracterizar a qualidade do solo, fornecer informações sobre aquíferos, e ser integrado em estudos geotécnicos, ele adicionou.

Com uma imagem tão detalhada da subsuperfície, a tecnologia tem potencial para uso em estudos de lapso de tempo das propriedades do solo, disse Rodríguez Tribaldos. Por exemplo, no monitoramento ambiental, esta ferramenta pode ser usada para detectar mudanças de longo prazo nas águas subterrâneas, o derretimento do permafrost, ou as mudanças hidrológicas envolvidas em riscos de deslizamento de terra.

As descobertas do estudo atual também sugerem que os pesquisadores podem não ter mais que escolher entre qualidade e custo dos dados. "Os sensores de telefones celulares são baratos e nos avisam quando um grande terremoto acontece nas proximidades, mas eles não serão capazes de registrar as vibrações finas do planeta, "disse o co-autor Nate Lindsey, um estudante de graduação da UC Berkeley que liderou o trabalho de campo e a análise de terremotos para o estudo de 2017. "Neste estudo, mostramos que fibras ópticas baratas captam esses pequenos movimentos do solo com qualidade surpreendente. "

Com 300 terabytes de dados brutos coletados para o estudo, os pesquisadores foram desafiados a encontrar maneiras de gerenciar e processar com eficácia a "mangueira de incêndio" das informações sísmicas. Ajo-Franklin expressou esperança de um dia construir um portal de dados sismológicos que acopla ESnet como um sensor e mecanismo de transferência de dados, com análise e armazenamento de dados de longo prazo gerenciado pela instalação de supercomputação do Berkeley Lab, NERSC (National Energy Research Scientific Computing Center).

Monga added that even though the Dark Fiber Testbed will soon be lit for the next generation of ESnet, dubbed "ESnet 6, " there may be sections that could be used for seismology. "Although it was completely unexpected that ESnet—a transatlantic network dedicated for research—could be used as a seismic sensor, it fits perfectly within our mission, " he said. "At ESnet, we want to enable scientific discovery unconstrained by geography."