Los sismólogos de Caltech que trabajan con expertos en óptica de Google han desarrollado un método para utilizar cables de telecomunicaciones submarinos existentes para detectar terremotos. La técnica podría conducir a la mejora de los sistemas de alerta de terremotos y tsunamis en todo el mundo.

Una vasta red de más de un millón de kilómetros de cable de fibra óptica se encuentra en el fondo de los océanos de la Tierra. En la década de 1980, empresas de telecomunicaciones y gobiernos comenzaron a tender estos cables, cada uno de los cuales puede abarcar miles de kilómetros. Hoy dia, la red global se considera la columna vertebral de las telecomunicaciones internacionales.

Los científicos han buscado durante mucho tiempo una forma de usar esos cables sumergidos para monitorear la sismicidad. Después de todo, más del 70 por ciento del mundo está cubierto por agua, y es extremadamente difícil y costoso de instalar, monitor, y ejecutar sismómetros submarinos para realizar un seguimiento de los movimientos de la tierra bajo los mares. ¿Qué sería ideal? los investigadores dicen, es monitorear la sismicidad haciendo uso de la infraestructura que ya existe a lo largo del fondo del océano.

Los esfuerzos anteriores para utilizar fibras ópticas para estudiar la sismicidad se han basado en la adición de sofisticados instrumentos científicos y / o el uso de las llamadas "fibras oscuras, "Cables de fibra óptica que no se utilizan activamente.

Ahora Zhongwen Zhan (Ph.D. '13), profesor asistente de geofísica en Caltech, y sus colegas han ideado una forma de analizar la luz que viaja a través de fibras "iluminadas"; en otras palabras, Cables submarinos existentes y en funcionamiento:para detectar terremotos y olas del océano sin la necesidad de ningún equipo adicional. Describen el nuevo método en la edición del 26 de febrero de la revista. Ciencias .

"Esta nueva técnica realmente puede convertir la mayoría de los cables submarinos en sensores geofísicos de miles de kilómetros de largo para detectar terremotos y posiblemente tsunamis en el futuro". ", dice Zhan." Creemos que esta es la primera solución para monitorear la sismicidad en el fondo del océano que podría implementarse de manera factible en todo el mundo. Podría complementar la red existente de sismómetros terrestres y boyas de monitoreo de tsunamis para hacer que la detección de terremotos y tsunamis submarinos sea mucho más rápida en muchos casos ".

Las redes de cable funcionan mediante el uso de láseres que envían pulsos de información a través de fibras de vidrio agrupadas dentro de los cables para entregar datos a velocidades superiores a 200. 000 kilómetros por segundo a los receptores en el otro extremo. Para hacer un uso óptimo de los cables, es decir, para transferir tanta información como sea posible a través de ellos, una de las cosas que los operadores monitorean es la polarización de la luz que viaja dentro de las fibras. Como otra luz que pasa por un filtro polarizador, la luz láser está polarizada, es decir, su campo eléctrico oscila en una sola dirección y no en ninguna. Controlar la dirección del campo eléctrico puede permitir que múltiples señales viajen a través de la misma fibra simultáneamente. En el extremo receptor, Los dispositivos verifican el estado de polarización de cada señal para ver cómo ha cambiado a lo largo de la ruta del cable para asegurarse de que las señales no se mezclen.

En su trabajo, los investigadores se centraron en Curie Cable, un cable submarino de fibra óptica que se extiende más de 10, 000 kilómetros a lo largo del borde oriental del Océano Pacífico desde Los Ángeles hasta Valparaíso, Chile. (Aunque Zhan dice que la técnica podría usarse en muchos de los cientos de cables submarinos que atraviesan el mundo).

En tierra, todo tipo de disturbios, como cambios de temperatura e incluso rayos, puede cambiar la polarización de la luz que viaja a través de cables de fibra óptica. Debido a que la temperatura en las profundidades del océano permanece casi constante y debido a que hay muy pocas perturbaciones allí, el cambio de polarización de un extremo del cable Curie al otro permanece bastante estable a lo largo del tiempo, Zhan y sus colegas encontraron.

Sin embargo, durante los terremotos y cuando las tormentas producen grandes olas oceánicas, la polarización cambia repentina y dramáticamente, permitiendo a los investigadores identificar fácilmente tales eventos en los datos.

En la actualidad, cuando ocurren terremotos a millas de la costa, Las ondas sísmicas pueden tardar minutos en llegar a los sismómetros terrestres e incluso más tiempo en verificar las ondas sísmicas. Usando la nueva técnica, toda la longitud de un cable submarino actúa como un solo sensor en una ubicación difícil de monitorear. La polarización se puede medir hasta 20 veces por segundo. Eso significa que si ocurre un terremoto cerca de un área en particular, se podría enviar una advertencia a las áreas potencialmente afectadas en cuestión de segundos.

Durante los nueve meses de pruebas informados en el nuevo estudio (entre diciembre de 2019 y septiembre de 2020), los investigadores detectaron alrededor de 20 terremotos de moderados a grandes a lo largo del cable Curie, incluido el terremoto de magnitud 7,7 que tuvo lugar frente a Jamaica el 28 de enero, 2020.

Aunque no se detectaron tsunamis durante el estudio, los investigadores pudieron detectar cambios en la polarización producidos por las marejadas oceánicas que se originaron en el Océano Austral. Creen que los cambios en la polarización observados durante esos eventos fueron causados ​​por cambios de presión a lo largo del lecho marino a medida que las poderosas olas pasaban por el cable. "Esto significa que podemos detectar las olas del océano, 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.

El nuevo Ciencias paper is titled "Optical polarization-based seismic and water wave sensing on transoceanic cables."