پیش بینی زلزله ها و سونامی ها با استفاده از فیبر نوری
زمین‌شناسان دانشگاه ETH زوریخ نشان داده‌اند که هر موجی از زلزله‌ای با قدرت ۳.۹ روی سیستم کاهش نویز شبکه‌های فیبر نوری ثبت می‌شود. این روش، که اکنون در مجله گزارشات علمی منتشر شده است، قابلیت ایجاد سیستم‌های هشداردهنده زودهنگام زلزله و سونامی با پوشش فراوان را دارد.
برای کشورهای ثروتمند مانند سوئیس، داشتن شبکه‌ای چگال از ایستگاه‌های نظارت بر زلزله امری طبیعی است. اما این امر در کشورهای کم‌تر توسعه یافته و روی کف اقیانوس‌های جهان صادق نیست. در حالی که مناطق فقیر (از نظر مالی) برای تعداد لازم از حسگرها دسترسی ندارند.
اقیانوس‌ها نیازمند سیستم‌های پیچیده‌ای هستند که بتوانند تغییرات فشار کم را در عمق‌های هزاران متری به‌دقت اندازه‌گیری کنند و سیگنال‌های داده را به سطح برسانند.
استفاده مجدد از داده‌های کاهش نویز دانشمندان از موسسه ژئوفیزیک دانشگاه ETH زوریخ، به همراه موسسه فدرال سوئیسی اندازه‌گیری (METAS)، روشی شگفت‌انگیز و ارزان قیمت کشف کرده‌اند که اندازه‌گیری دقیق زلزله را حتی در کف اقیانوس و کشورهای کم‌توسعه ممکن می‌کند.
آندریاس فیشتنر:
“ما از یک عملکردی که زیرساخت‌های فیبر نوری موجود در حال انجام آن هستند، بهره می‌بریم: ما داده‌های ارتعاش را از سیستم کاهش نویز فعال دریافت می‌کنیم، که وظیفه آن افزایش دقت سیگنال‌ها در ارتباطات داده‌ای نوری است. تنها چیزی که لازم است، ذخیره و ارزیابی داده‌های کاهش نویز فعال است – بدون نیاز به دستگاه‌های اضافی یا زیرساخت‌های گران‌قیمت.”
نویز ارتعاشات خاموش می‌شود
برای درک اینکه چگونه لغو نویز فاز فعال (PNC) می‌تواند لرزش‌های زمین‌لرزه را اندازه‌گیری کند، مقایسه آن با سیستم‌های کاهش نویز هدفون‌های پیشرفته امروزی مفید است، که نویز محیطی را برای کاربران تقریباً کاملاً ناپدید می‌کنند. این هدفون‌ها دارای میکروفون‌هایی هستند که نویز خارجی را جذب می‌کنند. این سیگنال معکوس شده و در عمل به صورت زمان واقعی به سیگنال‌های صوتی تغذیه می‌شود. سیگنال معکوس فاز نویز خارجی را یک به یک لغو می‌کند و آن را ناشنیدنی می‌کند.
در PNC یک سیستم ارتباطی نوری، “نویز محیطی” در فیبر نوری با مقایسه سیگنال ارسالی اصلی با سیگنال جزئی که توسط گیرنده منعکس شده است، تعیین می‌شود. تفاوت بین دو سیگنال نشان‌دهنده تداخلی است که سیگنال نوری در مسیر خود از طریق فیبر نوری با آن روبرو شده است. همانند کاهش نویز در هدفون‌ها، این تداخل می‌تواند با استفاده از یک ضد سیگنال مناسب لغو شود.
تغییر شکل‌ها تغییرات حداقلی فرکانس را ایجاد می‌کنند در انتقال داده‌های نوری، “نویز” زمانی ایجاد می‌شود که فیبرهای نوری توسط میکرومترهای کوچک مختل می‌شوند. این اتفاق به عنوان پاسخ به تغییر شکل سطح زمین به دلیل زلزله‌ها، موج‌های آب، اختلاف فشار هوا و فعالیت‌های انسانی رخ می‌دهد. هر تغییر شکل فیبر را کمی کوتاه یا بلند می‌کند. این در نوبت خود منجر به ایجاد اثر فوتو-الاستیک می‌شود، که باعث می‌شود سرعت نور در فیبر به میزان بسیار کمی نوسان کند.
هر دو تغییر طول فیبر و نوسانات سرعت نور فرکانس سیگنال نوری را با یک عامل کوچک تغییر می‌دهند. این پدیده از چندین سال پیش شناخته شده است و در ابزارهای ویژه‌ای برای اندازه‌گیری ارتعاشات استفاده شده است.
اما در مورد سیستم کاهش نویز در ارتباط فیبر نوری زیرساخت ساعت اتمی سوئیس که توسط دانشمندان ETH و METAS بررسی شده است، این ابزارهای اندازه‌گیری اضافی غیر ضروری هستند: تغییر شکل‌ها می‌توانند به راحتی از اصلاح سیگنال‌های زمانی خوانده شوند. این اصلاح طول موج سیگنال را در محدوده تراهرتز ( ارتعاش در ثانیه) توسط چند صد هرتز تغییر می‌دهد – به عبارت دیگر، حدود یک دهم از یک میلیاردم.
هم‌خوانی دقیق با خدمات زمین‌لرزه‌شناسی سوئیس این تغییرات شاید خیلی کوچک باشند، اما تصویری بسیار واضح از ارتعاشاتی را که کابل‌های فیبر نوری در طول دوره نظارت مورد تأثیر قرار می‌گیرند، نشان می‌دهند. “با استفاده از PNC ارتباط فیبر نوری بین بازل و محل ساعت اتمی در METAS در برن، ما توانستیم هر موجی از زلزله ۳.۹ ریشتری در آلزاس را به طور دقیق ردیابی کنیم”، فیشتنر توضیح می‌دهد. “اما مورد بهتر این است که یک مدل از زلزله بر اساس داده‌های ما نیز با اندازه‌گیری‌های انجام شده توسط خدمات زمین‌لرزه‌شناسی سوئیس بسیار دقیق هم‌خوانی داشت.”
فیشتنر می‌گوید این هم‌خوانی تقریباً دقیق نشان می‌دهد که داده‌های PNC می‌توانند برای تعیین مکان، عمق و بزرگی زلزله با دقت بالایی مورد استفاده قرار گیرند. “این برای هشدارهای جامع سونامی یا اندازه‌گیری زلزله‌ها در مناطق کم‌توسعه جهان بسیار جالب است”.
برای فیشتنر، داستان اینکه چگونه روش جدید توسعه یافته است نیز قابل تقدیر است. این ایده از یک گفتگو بین پژوهشگران ETH و یک متخصص در METAS پدید آمد. به محض اینکه تیم ETH-METAS پتانسیل داده‌های PNC را شناختند، سریعاً ایده را اجرا کردند.
“برای ظهور علم شگفت‌انگیز، باید اعتباراتی برای فعالیت‌های پژوهشی که هدف از پیش تعیین شده‌ای را دنبال نمی‌کنند، موجود باشد”. “ETH برای این نوع پروژه مناسب است. فیشتنر خاطرنشان می کند که در مقابل بسیاری از دانشگاه‌های دیگر، من به عنوان یک پژوهشگر اعتبارات بدون محدودیت در اختیار دارم.”
