I cavi in ​​fibra ottica rilevano e caratterizzano i terremoti

2 agosto 2023

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dal California Institute of Technology

In California, migliaia di chilometri di cavi in ​​fibra ottica attraversano lo stato, fornendo alle persone Internet. Ma questi cavi sotterranei possono avere anche una sorprendente funzione secondaria: possono percepire e misurare i terremoti. In un nuovo studio al Caltech, gli scienziati riferiscono di aver utilizzato una sezione di cavo in fibra ottica per misurare dettagli complessi di un terremoto di magnitudo 6, individuando il tempo e la posizione di quattro singole asperità, le aree "bloccate" della faglia, che hanno portato alla rottura. .

Per diversi anni, il professore di geofisica Zhongwen Zhan e il suo team hanno mirato a dimostrare che il riutilizzo dei cavi in ​​fibra ottica è un modo semplice per espandere drasticamente la nostra capacità di misurare l’attività sismica producendo una fitta rete di sismometri improvvisati con un metodo chiamato rilevamento acustico distribuito.

Il nuovo studio, apparso sulla rivista Nature, ha utilizzato solo una sezione di cavo di 100 chilometri per comprendere con precisione i complessi meccanismi alla base di un particolare terremoto del 2021, suggerendo che l’accesso a più cavi consentirebbe una migliore comprensione della fisica dei terremoti e, in definitiva, un migliore terremoto precoce. sistemi di allarme.

"Se riusciamo a ottenere una copertura più ampia per misurare l'attività sismica, possiamo rivoluzionare il modo in cui studiamo i terremoti e fornire un allarme più tempestivo", afferma Zhan. "Sebbene non possiamo prevedere i terremoti, il rilevamento acustico distribuito porterà a una migliore comprensione dei dettagli alla base del modo in cui la terra si rompe."

Ci sono circa 500 sismometri nelle circa 56.500 miglia quadrate della California meridionale, e ognuno di essi costa fino a 50.000 dollari. D’altro canto, utilizzare cavi in ​​fibra ottica in tutto lo Stato potrebbe equivalere a ricoprirlo con milioni di sismometri.

Per utilizzare un cavo in fibra ottica come sismometro, gli emettitori laser sono posizionati a un'estremità del cavo, sparando raggi di luce attraverso i lunghi e sottili fili di vetro che costituiscono il nucleo del cavo. Il vetro presenta minuscole imperfezioni che riflettono una minuscola porzione della luce verso la sorgente, dove viene registrata.

In questo modo, ogni imperfezione funge da punto di passaggio tracciabile lungo il cavo in fibra ottica, che in genere è sepolto appena sotto il livello del suolo. Le onde sismiche che si muovono attraverso il terreno fanno oscillare leggermente il cavo, modificando il tempo di viaggio della luce da e verso questi punti di passaggio. Pertanto, le imperfezioni lungo la lunghezza del cavo agiscono come migliaia di sismometri individuali che consentono ai sismologi di osservare il movimento delle onde sismiche.

In questo nuovo studio, il team ha esaminato le tracce luminose che viaggiano attraverso un tratto di cavo in fibra ottica situato nella Sierra Nevada orientale durante il terremoto di magnitudo 6 dell’Antelope Valley del 2021. La sezione del cavo equivaleva a 10.000 sismometri e riuscì a scoprire che la M6 era costituita da una sequenza di quattro rotture più piccole. Questi cosiddetti “sotto-eventi”, come i mini terremoti, non possono essere rilevati da una rete sismica convenzionale.

In collaborazione con il laboratorio di Nadia Lapusta, Lawrence A. Hanson, Jr., professore di ingegneria meccanica e geofisica, il team è stato in grado di creare un modello accurato del terremoto di M6 basato sull'attività sismica misurata. Il modello ha mostrato la tempistica dei quattro sotto-eventi e ha individuato la loro esatta posizione nella regione della faglia.

"L'utilizzo del cavo in fibra ottica come una serie di sismometri rivela aspetti della fisica dei terremoti che sono stati a lungo ipotizzati ma difficili da immaginare", afferma Zhan. "Per analogia, immagina il tuo telescopio da giardino quotidiano. Puoi vedere Giove, ma probabilmente non riesci a vedere le sue lune o alcun dettaglio. Con un telescopio davvero potente, puoi vedere i dettagli più fini del pianeta e della superficie lunare. La nostra tecnologia è come un potente telescopio per i terremoti."