Os sismólogos da Caltech, trabalhando com especialistas em óptica do Google, desenvolveram um método para usar os cabos de telecomunicações subaquáticos existentes para detectar terremotos. A técnica pode melhorar os sistemas de alerta de terremotos e tsunamis em todo o mundo.

Uma vasta rede de mais de um milhão de quilômetros de cabos de fibra óptica encontra-se no fundo dos oceanos da Terra. Nos anos 1980, empresas de telecomunicações e governos começaram a instalar esses cabos, cada um dos quais pode abranger milhares de quilômetros. Hoje, a rede global é considerada a espinha dorsal das telecomunicações internacionais.

Os cientistas há muito procuram uma maneira de usar esses cabos submersos para monitorar a sismicidade. Afinal, mais de 70 por cento do globo é coberto por água, e é extremamente difícil e caro de instalar, monitor, e executar sismômetros subaquáticos para rastrear os movimentos da Terra no fundo do mar. O que seria ideal, pesquisadores dizem, é monitorar a sismicidade fazendo uso da infraestrutura já instalada ao longo do fundo do oceano.

Esforços anteriores para usar fibras ópticas para estudar a sismicidade basearam-se na adição de instrumentos científicos sofisticados e / ou no uso das chamadas "fibras escuras, "cabos de fibra óptica que não estão sendo usados ​​ativamente.

Agora Zhongwen Zhan (Ph.D. '13), professor assistente de geofísica na Caltech, e seus colegas descobriram uma maneira de analisar a luz que viaja através de fibras "iluminadas" - em outras palavras, cabos submarinos existentes e em funcionamento - para detectar terremotos e ondas do mar sem a necessidade de qualquer equipamento adicional. Eles descrevem o novo método na edição de 26 de fevereiro da revista. Ciência .

"Esta nova técnica pode realmente converter a maioria dos cabos submarinos em sensores geofísicos com milhares de quilômetros de extensão para detectar terremotos e possivelmente tsunamis no futuro, "diz Zhan." Acreditamos que esta seja a primeira solução para monitorar a sismicidade no fundo do oceano que poderia ser implementada em todo o mundo. Poderia complementar a rede existente de sismômetros baseados em terra e bóias de monitoramento de tsunamis para tornar a detecção de terremotos e tsunamis submarinos muito mais rápida em muitos casos. "

As redes de cabo funcionam por meio do uso de lasers que enviam pulsos de informação através de fibras de vidro agrupadas dentro dos cabos para entregar dados a taxas superiores a 200, 000 quilômetros por segundo para receptores na outra extremidade. Para fazer o uso ideal dos cabos, ou seja, para transferir o máximo de informações possível através deles - uma das coisas que os operadores monitoram é a polarização da luz que viaja dentro das fibras. Como outra luz que passa por um filtro polarizador, a luz do laser é polarizada, ou seja, seu campo elétrico oscila em apenas uma direção, e não em qualquer direção. Controlar a direção do campo elétrico pode permitir que vários sinais viajem pela mesma fibra simultaneamente. Na ponta receptora, os dispositivos verificam o estado de polarização de cada sinal para ver como ele mudou ao longo do caminho do cabo para ter certeza de que os sinais não estão sendo misturados.

Em seu trabalho, os pesquisadores se concentraram no cabo Curie, um cabo de fibra óptica submarino que se estende por mais de 10, 000 quilômetros ao longo da borda leste do Oceano Pacífico de Los Angeles a Valparaíso, Chile. (Embora Zhan diga que a técnica poderia ser usada em muitas das centenas de cabos submarinos que cruzam o globo.)

Em terra, todos os tipos de perturbações, como mudanças de temperatura e até mesmo relâmpagos, pode alterar a polarização da luz que viaja pelos cabos de fibra óptica. Porque a temperatura no fundo do oceano permanece quase constante e porque há tão poucos distúrbios lá, a mudança na polarização de uma extremidade do cabo Curie para a outra permanece bastante estável ao longo do tempo, Zhan e seus colegas encontraram.

Contudo, durante terremotos e quando as tempestades produzem grandes ondas do oceano, a polarização muda repentina e dramaticamente, permitindo que os pesquisadores identifiquem facilmente tais eventos nos dados.

Atualmente, quando terremotos ocorrem a milhas da costa, pode levar minutos para que as ondas sísmicas atinjam os sismômetros terrestres e ainda mais para que as ondas de tsunami sejam verificadas. Usando a nova técnica, todo o comprimento de um cabo submarino atua como um único sensor em um local difícil de monitorar. A polarização pode ser medida até 20 vezes por segundo. Isso significa que se um terremoto atingir perto de uma área específica, um aviso pode ser entregue às áreas potencialmente afetadas em questão de segundos.

Durante os nove meses de teste relatados no novo estudo (entre dezembro de 2019 e setembro de 2020), os pesquisadores detectaram cerca de 20 terremotos moderados a grandes ao longo do Cabo Curie, incluindo o terremoto de magnitude 7,7 que ocorreu na costa da Jamaica em 28 de janeiro, 2020.

Embora nenhum tsunamis tenha sido detectado durante o estudo, os pesquisadores foram capazes de detectar mudanças na polarização produzida por ondas oceânicas que se originaram no Oceano Antártico. Eles acreditam que as mudanças na polarização observadas durante esses eventos foram causadas por mudanças de pressão ao longo do fundo do mar à medida que ondas poderosas passavam pelo cabo. "Isso significa que podemos detectar ondas do mar, so it is plausible that one day we will be able to detect tsunami waves, " says Zhan.

Zhan and his colleagues at Caltech are now developing a machine learning algorithm that would be able to determine whether detected changes in polarization are produced by earthquakes or ocean waves rather than some other change to the system, such as a ship or crab moving the cable. They expect that the entire detection and notification process could be automated to provide critical information in addition to the data already collected by the global network of land-based seismometers and the buoys in the Deep-ocean Assessment and Reporting of Tsunamis (DART) system, operated by the National Oceanic and Atmospheric Administration's National Data Buoy Center.

O novo Ciência paper is titled "Optical polarization-based seismic and water wave sensing on transoceanic cables."