I sismologi del California Institute of Technology (Caltech) di Pasadena, in collaborazione con esperti di fibra ottica di Google, hanno sviluppato un metodo per utilizzare i cavi di telecomunicazione sottomarini esistenti per rilevare i terremoti. La tecnica potrebbe portare a un miglioramento dei sistemi di allarme per terremoti e tsunami in tutto il mondo.
La vasta rete di oltre un milione di chilometri di cavi in fibra ottica si trova sul fondo degli oceani terrestri. Le società di telecomunicazioni e i governi negli anni ’80 hanno iniziato a posare questi cavi, ognuno dei quali può coprire migliaia di chilometri. Oggi, la rete globale è considerata la spina dorsale delle telecomunicazioni internazionali.
Gli scienziati hanno cercato a lungo un metodo per utilizzare quei cavi sommersi per monitorare la sismicità, dopotutto, oltre il 70% del globo è coperto dall’acqua ed è estremamente difficile e costoso installare, monitorare e far funzionare i sismometri sottomarini per tenere traccia dei movimenti della Terra sotto i mari. L’ideale, dicono i ricercatori, è monitorare la sismicità utilizzando le infrastrutture già esistenti lungo il fondo dell’oceano.
I precedenti tentativi di utilizzare le fibre ottiche per studiare la sismicità si sono basati sull’aggiunta di sofisticati strumenti scientifici e / o sull’uso delle cosiddette “fibre scure”, cavi in fibra ottica che non sono utilizzati attivamente.
Zhongwen Zhan assistente professore di geofisica al Caltech, e i suoi colleghi hanno escogitato un modo per analizzare la luce che viaggia attraverso le fibre “accese” – in altre parole, cavi sottomarini esistenti e funzionanti – per rilevare terremoti e tsunami senza la necessità di apparecchiature aggiuntive. Hanno descritto il nuovo metodo nella rivista Science nel numero pubblicato il 26 febbraio 2021.
Zhongwen Zhan ha detto:
«In futuro questa nuova tecnica può davvero convertire la maggior parte dei cavi sottomarini in sensori geofisici lunghi migliaia di chilometri per rilevare terremoti e forse tsunami. Riteniamo che questa sia la prima soluzione per il monitoraggio della sismicità sul fondo dell’oceano che potrebbe essere implementata in tutto il mondo, integrando la rete esistente di sismometri a Terra e boe di monitoraggio in mare per rendere in molti casi più veloce il rilevamento di terremoti sottomarini e tsunami».
Le reti via cavo funzionano attraverso l’uso di laser, le fibre di vetro raggruppate all’interno dei cavi, inviano impulsi di informazioni per fornire i dati ai ricevitori all’altra estremità, a velocità superiori a 200.000 chilometri il secondo. Gli operatori per l’uso ottimale dei cavi, cioè per trasferire quante più informazioni possibili attraverso di essi, una delle caratteristiche che monitorano è la polarizzazione della luce che viaggia all’interno delle fibre. La luce laser come l’altra luce che passa attraverso un filtro polarizzatore, è polarizzata, praticamente il suo campo elettrico oscilla in una sola direzione piuttosto che in qualsiasi altro modo. Il controllo della direzione del campo elettrico può permettere a più segnali di viaggiare simultaneamente attraverso la stessa fibra. I dispositivi all’estremità ricevente controllano lo stato di polarizzazione di ogni segnale per vedere come è cambiato lungo il percorso del cavo per assicurarsi che i segnali non vengano mescolati.
I ricercatori nel loro lavoro si sono concentrati sul cavo Curie, un cavo sottomarino in fibra ottica di Google che si estende per più di 10.000 chilometri lungo il bordo orientale dell’oceano Pacifico da Los Angeles a Valparaiso in Cile.
È noto che sulla terraferma, tutti i tipi di disturbi, come i cambiamenti di temperatura e anche i fulmini, possono modificare la polarizzazione della luce che viaggia attraverso i cavi in fibra ottica. Zhongwen Zhan e i suoi colleghi hanno scoperto che il cambiamento nella polarizzazione da un’estremità all’altra del cavo Curie resta abbastanza stabile nel tempo perché nell’oceano profondo la temperatura è quasi costante e ci sono pochi disturbi. Tuttavia, durante i terremoti e quando le tempeste producono grandi onde oceaniche, la polarizzazione cambia improvvisamente e drammaticamente, permettendo ai ricercatori di identificare facilmente tali eventi nei dati.
Attualmente, quando i terremoti si verificano a migliaia di chilometri al largo, le onde sismiche impiegano diversi minuti per raggiungere i sismometri terrestri e anche di più tempo per eventuali onde di tsunami da verificare. Utilizzando la nuova tecnica, l’intera lunghezza di un cavo sottomarino agisce come un singolo sensore in una posizione difficile da monitorare. La polarizzazione può essere misurata 20 volte il secondo. Ciò significa che se un terremoto si manifestasse vicino a una particolare area, un allarme in pochi secondi potrebbe essere trasmesso alle aree potenzialmente colpite.
I ricercatori durante i nove mesi di test riportati nel nuovo studio (tra dicembre 2019 e settembre 2020), lungo il cavo Curie hanno rilevato circa 20 terremoti da moderati a grandi, compreso il terremoto di magnitudo 7,7 che ha avuto luogo al largo della Giamaica il 28 gennaio 2020.
I ricercatori anche se non sono stati rilevati tsunami durante lo studio, sono stati in grado di rilevare i cambiamenti di polarizzazione prodotti da mareggiate oceaniche che hanno avuto origine nell’oceano meridionale. Credono che i cambiamenti di polarizzazione osservati durante quegli eventi siano stati causati da cambiamenti di pressione lungo il fondale marino quando potenti onde hanno viaggiato oltre il cavo.
Zhongwen Zhan ha detto:
«Ciò significa che possiamo rilevare le onde oceaniche, quindi è plausibile che un giorno saremo in grado di rilevare le onde degli tsunami».
Zhongwen Zhan e i suoi colleghi del Caltech stanno ora sviluppando un algoritmo di apprendimento automatico, sarebbe in grado di determinare se i cambiamenti rilevati nella polarizzazione sono prodotti da terremoti o onde oceaniche piuttosto che qualche altro cambiamento al sistema, come una nave che sposta il cavo. Si aspettano che l’intero processo di rilevamento e notifica potrebbe essere automatizzato per fornire informazioni critiche in aggiunta ai dati già raccolti dalla rete globale di sismometri terrestri e le boe del sistema Deep-ocean Assessment and Reporting of Tsunamis (DART), gestito dal National Data Buoy Center della National Oceanic and Atmospheric Administration.
