Cabos de fibra óptica que constituem uma rede global de telecomunicações submarinas podem um dia ajudar os cientistas a estudar terremotos offshore e as estruturas geológicas escondidas nas profundezas do oceano.

Em um artigo publicado esta semana no jornal Ciência , pesquisadores da Universidade da Califórnia, Berkeley, Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), O Monterey Bay Aquarium Research Institute (MBARI) e a Rice University descrevem um experimento que transformou 20 quilômetros de cabos de fibra ótica submarinos no equivalente a 10, 000 estações sísmicas ao longo do fundo do oceano. Durante seu experimento de quatro dias na Baía de Monterey, eles registraram um terremoto de magnitude 3,5 e dispersão sísmica de zonas de falhas subaquáticas.

Sua técnica, que eles haviam testado anteriormente com cabos de fibra óptica em terra, poderia fornecer dados muito necessários sobre terremotos que ocorrem no fundo do mar, onde existem poucas estações sísmicas, deixando 70% da superfície da Terra sem detectores de terremoto.

"Há uma grande necessidade de sismologia do fundo do mar. Qualquer instrumentação que você colocar no oceano, mesmo que seja apenas nos primeiros 50 quilômetros da costa, será muito útil, "disse Nate Lindsey, um estudante de graduação da UC Berkeley e autor principal do artigo.

Lindsey e Jonathan Ajo-Franklin, professor de geofísica da Rice University em Houston e professor visitante do Berkeley Lab, conduziu o experimento com a ajuda de Craig Dawe do MBARI, que possui o cabo de fibra óptica. O cabo se estende por 52 quilômetros da costa até a primeira estação sísmica já colocada no fundo do Oceano Pacífico, colocado lá 17 anos atrás por MBARI e Barbara Romanowicz, um professor da UC Berkeley da Escola de Pós-Graduação do Departamento de Ciências da Terra e Planetárias. Um cabo permanente para o nó do Sistema de Pesquisa Acelerada de Monterey (MARS) foi instalado em 2009, 20 quilômetros dos quais foram usados ​​neste teste enquanto off-line para manutenção anual em março de 2018.

"Este é realmente um estudo sobre a fronteira da sismologia, a primeira vez que alguém usou cabos de fibra óptica offshore para observar esses tipos de sinais oceanográficos ou para imagens de estruturas de falha, "disse Ajo-Franklin." Um dos pontos em branco na rede sismográfica mundial está nos oceanos. "

O objetivo final dos esforços dos pesquisadores, ele disse, é usar as densas redes de fibra óptica em todo o mundo - provavelmente mais de 10 milhões de quilômetros ao todo, em terra e no fundo do mar, como medidas sensíveis do movimento da Terra, permitindo o monitoramento de terremotos em regiões que não têm estações terrestres caras, como as que pontilham grande parte da Califórnia e da costa do Pacífico, sujeitas a terremotos.

"A rede sísmica existente tende a ter instrumentos de alta precisão, mas é relativamente esparso, considerando que isso dá acesso a uma matriz muito mais densa, "disse Ajo-Franklin.

Sismologia fotônica

A técnica que os pesquisadores usam é Sensoriamento Acústico Distribuído, que emprega um dispositivo fotônico que envia pulsos curtos de luz laser pelo cabo e detecta a retrodifusão criada pela tensão no cabo causada pelo alongamento. Com interferometria, eles podem medir o retroespalhamento a cada 2 metros (6 pés), efetivamente transformando um cabo de 20 quilômetros em 10, 000 sensores de movimento individuais.

"Esses sistemas são sensíveis a mudanças de nanômetros a centenas de picômetros para cada metro de comprimento, "Ajo-Franklin disse." Essa é uma mudança de uma parte em um bilhão. "

No início deste ano, eles relataram os resultados de um teste de seis meses em terra usando 22 quilômetros de cabo perto de Sacramento colocado pelo Departamento de Energia como parte de seus 13, Teste de fibra escura ESnet de 000 milhas. Fibra escura refere-se a cabos ópticos colocados no subsolo, mas não utilizado ou alugado para uso de curto prazo, em contraste com a Internet "iluminada" usada ativamente. Os pesquisadores foram capazes de monitorar a atividade sísmica e o ruído ambiental e obter imagens de subsuperfície em uma resolução e escala maior do que seria possível com uma rede de sensores tradicional.

"A beleza da sismologia de fibra óptica é que você pode usar cabos de telecomunicações existentes sem ter que colocar 10, 000 sismômetros, "Lindsey disse." Você simplesmente vai até o local e conecta o instrumento à extremidade da fibra. "

Durante o teste subaquático, eles foram capazes de medir uma ampla gama de frequências de ondas sísmicas de um terremoto de magnitude 3,4 que ocorreu 45 quilômetros para o interior perto de Gilroy, Califórnia, e mapear várias zonas de falha submarina conhecidas e não mapeadas anteriormente, parte do sistema San Gregorio Fault. Eles também foram capazes de detectar ondas oceânicas em estado estacionário, os chamados microssísmos oceânicos, bem como ondas de tempestade, todos combinados com medições sísmicas terrestres e de bóia.

"Temos enormes lacunas de conhecimento sobre os processos no fundo do oceano e a estrutura da crosta oceânica porque é um desafio colocar instrumentos como sismômetros no fundo do mar, "disse Michael Manga, um professor de ciências terrestres e planetárias da UC Berkeley. "Esta pesquisa mostra a promessa de usar cabos de fibra óptica existentes como conjuntos de sensores para gerar imagens de novas maneiras. Aqui, eles identificaram ondas hipotetizadas anteriormente que não haviam sido detectadas antes. "

De acordo com Lindsey, há um interesse crescente entre os sismólogos em registrar o campo de ruído ambiente da Terra causado pelas interações entre o oceano e a terra continental:essencialmente, ondas batendo perto do litoral.

"Ao usar esses cabos de fibra ótica costeira, podemos basicamente observar as ondas que estamos acostumados a ver da costa mapeada no fundo do mar, e a forma como essas ondas do oceano se acoplam à Terra para criar ondas sísmicas, " ele disse.

Para fazer uso dos cabos de fibra ótica iluminados do mundo, Lindsey e Ajo-Franklin precisam mostrar que podem fazer ping de pulsos de laser em um canal sem interferir em outros canais da fibra que transportam pacotes de dados independentes. Eles estão conduzindo experimentos agora com fibras acesas, enquanto também planejava o monitoramento de fibra óptica de eventos sísmicos em uma área geotérmica ao sul do Mar de Salton, no sul da Califórnia, na zona sísmica de Brawley.