Milhares de quilômetros de fibras ópticas enterradas cruzam a área da baía de São Francisco, na Califórnia, oferecendo internet de alta velocidade e vídeo HD para residências e empresas.

Biondo Biondi, um professor de geofísica na Escola da Terra de Stanford, Energia e Ciências Ambientais, sonha em transformar essa rede densa em um observatório barato de "bilhões de sensores" para monitorar e estudar continuamente terremotos.

Durante o ano passado, O grupo de Biondi mostrou que é possível converter as oscilações de fios de fibra óptica perturbados em informações sobre a direção e magnitude dos eventos sísmicos.

Os pesquisadores estão gravando essas oscilações sísmicas em um circuito de 3 milhas de fibra óptica instalado sob o campus da Universidade de Stanford com instrumentos chamados de interrogadores a laser fornecidos pela empresa OptaSense, que é coautor em publicações sobre a pesquisa.

"Podemos ouvir continuamente - e ouvir bem - a Terra usando fibras ópticas preexistentes que foram implantadas para fins de telecomunicações, "Biondi disse.

Atualmente, os pesquisadores monitoram terremotos com sismômetros, que são mais sensíveis do que a matriz de telecomunicações proposta, mas sua cobertura é esparsa e podem ser desafiadores e caros de instalar e manter, especialmente em áreas urbanas.

Por contraste, um observatório sísmico como o proposto por Biondi seria relativamente barato de operar. "Cada metro de fibra óptica em nossa rede age como um sensor e custa menos de um dólar para instalar, "Biondi disse." Você nunca será capaz de criar uma rede usando sismômetros convencionais com esse tipo de cobertura, densidade e preço. "

Essa rede permitiria aos cientistas estudar terremotos, especialmente os menores, em maiores detalhes e localizar suas fontes mais rapidamente do que é possível atualmente. Uma cobertura maior do sensor também permitiria medições de resolução mais alta das respostas do solo ao tremor.

"Os engenheiros civis poderiam pegar o que aprenderam sobre como edifícios e pontes respondem a pequenos terremotos da matriz de um bilhão de sensores e usar essa informação para projetar edifícios que podem resistir a tremores maiores, "disse Eileen Martin, um estudante de graduação no laboratório de Biondi.

De retroespalhamento para sinal

As fibras ópticas são fios finos de vidro puro com a espessura aproximada de um fio de cabelo humano. Eles são normalmente agrupados para criar cabos que transmitem sinais de dados por longas distâncias, convertendo sinais eletrônicos em luz.

Biondi não é o primeiro a imaginar o uso de fibras ópticas para monitorar o meio ambiente. Uma tecnologia conhecida como sensor acústico distribuído (DAS) já monitora a saúde de dutos e poços na indústria de petróleo e gás.

"Como o DAS funciona é que conforme a luz viaja ao longo da fibra, ele encontra várias impurezas no vidro e salta de volta, "Martin disse." Se a fibra fosse totalmente estacionária, esse sinal de 'retroespalhamento' seria sempre o mesmo. Mas se a fibra começa a esticar em algumas áreas - devido a vibrações ou tensão - o sinal muda. "

Implementação anterior deste tipo de sensoriamento acústico, Contudo, exigia que as fibras ópticas fossem fixadas de maneira cara a uma superfície ou revestidas de cimento para maximizar o contato com o solo e garantir a mais alta qualidade de dados. Em contraste, O projeto de Biondi sob Stanford - apelidado de observatório sísmico de fibra óptica - emprega as mesmas fibras ópticas que as empresas de telecomunicações, que ficam inseguros e flutuam livremente dentro de uma tubulação de plástico oca.

"As pessoas não acreditaram que isso funcionaria, "Martin disse." Eles sempre presumiram que uma fibra óptica desacoplada geraria muito ruído de sinal para ser útil. "

Mas desde que o observatório sísmico de fibra óptica em Stanford começou a operar em setembro de 2016, gravou e catalogou mais de 800 eventos, variando de eventos artificiais e pequenos, mal senti os tremores locais para poderosos, catástrofes mortais como os recentes terremotos que atingiram mais de 2, 000 milhas de distância no México. Em um experimento particularmente revelador, a matriz subterrânea captou sinais de dois pequenos terremotos locais com magnitudes de 1,6 e 1,8.

"Como esperado, ambos os terremotos tiveram a mesma forma de onda, ou padrão, porque eles se originaram do mesmo lugar, mas a amplitude do terremoto maior foi maior, "Biondi disse." Isso demonstra que o observatório sísmico de fibra óptica pode distinguir corretamente entre terremotos de magnitude diferente. "

Crucialmente, a matriz também detectou e distinguiu entre dois tipos diferentes de ondas que viajam pela Terra, chamadas de ondas P e S. "Um dos nossos objetivos é contribuir para um sistema de alerta precoce de terremotos. Isso exigirá a capacidade de detectar ondas P, que geralmente são menos prejudiciais que as ondas S, mas chegam muito mais cedo, "Martin disse.

O observatório sísmico de fibra óptica em Stanford é apenas o primeiro passo para o desenvolvimento de uma rede sísmica em toda a área da baía, Biondi disse, e ainda há muitos obstáculos a superar, como demonstrar que a matriz pode operar em uma escala de toda a cidade.