Нова технологія дозволяє оптоволокну малювати карту надр Землі

Уявіть собі гігантську, невидиму павутину, яка огортає нашу планету. Мільярди кілометрів оптоволоконних кабелів, цих скромних трудівників цифрової епохи, щодня доставляють нам гігабайти інформації: від робочих листів до милих відео з котиками. Але що, якщо я скажу вам, що ця інфраструктура здатна набагато більше? Що вона може стати нашими вухами, що прислухаються до глибинних процесів Землі, і очима, що дозволяють заглянути туди, куди раніше не проникав людський погляд? Звучить як наукова фантастика? А ось і ні! Це вже реальність, яка змінює наше уявлення про сейсмологію та геологію.

Коли кабель стає мікрофоном: магія розподіленого акустичного зондування

То як звичайний інтернет-кабель перетворюється на надчутливий науковий інструмент? Вся сіль у технології, що називається розподіленим акустичним зондуванням (DAS — Distributed Acoustic Sensing). Дозвольте пояснити просто. В оптоволоконний кабель надсилаються короткі лазерні імпульси. Саме скловолокно, з якого виготовлений кабель, не ідеально — в ньому є мікроскопічні неоднорідності. Коли світловий імпульс наштовхується такою неоднорідність, частина світла відбивається назад, створюючи так зване зворотне розсіювання. Спеціальний прилад, Інтеррогатор, аналізує це відображене світло.

А тепер найцікавіше: якщо кабель піддається найменшій вібрації — наприклад, від вантажівки, що проїжджає, далекого землетрусу або навіть шуму прибою — він злегка розтягується або згинається. Ці мікродеформації змінюють характер зворотного розсіювання світла. Аналізуючи ці зміни, вчені можуть з вражаючою точністю визначити, де саме по всій довжині багатокілометрового кабелю сталося обурення та якою була його інтенсивність. Фактично, кожен метр кабелю перетворюється на окремий віртуальний сейсмодатчик! І це не один датчик, а тисячі, розподілені по всій довжині. Уявляєте масштаб?

«Темні волокна»: сплячий гігант прокидається

Особливий інтерес для вчених мають так звані «темні волокна». Це оптоволоконні лінії, які були прокладені телекомунікаційними компаніями «про запас», у разі майбутнього зростання трафіку, але на цей час не використовуються для передачі даних. І таких «сплячих» артерій під нашими містами та між ними — величезні кількості!

Чому саме вони? По-перше, це колосальна економія. Не потрібно прокладати нові, дорогі сенсорні мережі, можна задіяти вже існуючу інфраструктуру. По-друге, «темні волокна» вільні від інформаційного шуму активних ліній, що дозволяє отримувати чистіші дані про сейсмічній активності. Це як намагатись почути шепіт у тихій кімнаті, а не на жвавому проспекті.

Піонерами у використанні DAS, що не дивно, стали представники нафтогазової галузі ще наприкінці 2000-х. Вони швидко збагнули, що технологію можна застосовувати для моніторингу стану свердловин. Але, як це часто буває з перспективними розробками, сфера її застосування стрімко розширилася — від відстеження переміщень тварин до вивчення вологості ґрунтів. Як влучно зауважують у науковій спільноті: «Якщо у вас новий молоток, ви намагаєтеся випробувати його на кожному цвяху, який тільки знайдете».

Міста під прицілом: Стамбул, Афіни і не лише

Одним із найбільш перспективних напрямів стало вивчення сейсмічної обстановки у великих містах. Стамбул, мегаполіс із багатомільйонним населенням, розташований у зоні високої сейсмічної активності. Трагічні події лютого 2023 року, коли потужні землетруси на півдні Туреччини забрали десятки тисяч життів, вкотре нагадали про цю загрозу. І так вже збіглося, що саме в Стамбулі одна з дослідницьких груп вела моніторинг за допомогою 8-кілометрового «темного волокна», що пролягає під густонаселеними районами.

Вчені пояснюють, що такі виміри дозволяють визначати швидкість розповсюдження сейсмічних хвиль, що допомагає будувати модель верхніх 50-100 метрів ґрунту. Дані, зібрані до і під час лютневих поштовхів (які, на щастя, лише слабко торкнулися Стамбула), дозволили створити детальну карту сейсмічних ризиків для конкретних кварталів. Виявилося, що деякі ділянки можуть відчувати коливання в 10 разів сильніші за сусідні вулиці! Ця інформація безцінна для містобудівників та інженерів при розробці будівельних норм та плануванні забудови.

Апетит приходить під час їжі. Натхненні стамбульським досвідом вчені замахнулися на ще більш масштабний проект в Афінах. Чотири «темні волокна» загальною довжиною близько 200 км (кожне по 50 км) оперізують грецьку столицю та перетинають її хрест-навхрест, створюючи, на думку сейсмологів, ідеальну геометрію для досліджень. Мета — створити тривимірну карту геології та сейсмічних ризиків стародавнього міста, а також відслідковувати «мікроземлетруси», які можуть бути провісниками сильніших подій.

І це не лише про землетрус! У Великій Британії наукова команда готує проект із використанням мережі «темних волокон» між Саутгемптоном, Лондоном та Кембриджем. Хоча ці райони не славляться сильними підземними поштовхами, ці DAS можуть допомогти виявляти витоки в підземних трубопроводах, оцінювати стабільність фундаментів будівель і навіть фіксувати вібрації від наземних джерел, наприклад шум від аеропортів.

Заглядаючи вглиб: від вулканів до мантії Землі

Можливості DAS не обмежуються міськими надрами. Вчені активно використовують цю технологію для вивчення глибших та віддалених куточків нашої планети.

• Вулканологія: В Ісландії, країні льоду і полум’я, «темні волокна» допомогли дослідникам одного з провідних технологічних інститутів виявити ранні ознаки виверження вулкана, що готується.
• Геотермальна енергія: Інша дослідна група за допомогою «темного волокна» в Каліфорнії змогла завдати на карту раніше невідомого геотермального резервуару — потенційного джерела чистої енергії.
• Океанські глибини та цунамі: Вчені одного з каліфорнійських університетів досягли успіхів у використанні підводних кабелів для моніторингу землетрусів в океанських басейнах. Це може скоротити час сповіщення про землетрус, що наближається, на дорогоцінні секунди, а для попереджень про цунамі — на життєво важливі хвилини.
• Кордон Мохо: Мабуть, одне з найбільш вражаючих досягнень — робота команди, афілійованої з Геологічною службою США. Використовуючи 100-кілометрове «темне волокно» у Каліфорнії, вони змогли з безпрецедентною деталізацією картувати кордон Мохоровичіча (або Мохо) — перехідну зону між земною корою та мантією. Дослідники зазначають, що великі структури на поверхні, такі як вулкани та розлами, взаємодіють із цим кордоном. Розуміння цих глибинних взаємодій може пролити світло те що, якої сили землетрус здатний породити той чи інший розлом, чи як влаштована «сантехніка» вулканічної системи. Наразі геологічна служба планує застосувати цю методику для вивчення Потрійного зчленування Мендосіно — найскладнішого та сейсмічно активного регіону на стику трьох тектонічних плит.

Ложка дьогтю та нові горизонти

Звичайно, як і у будь-якої проривної технології, DAS має свої складності. Потік даних, що одержуються з кабелів, величезний і часто зашумлений. Деякі фахівці визнають, що дані бувають дуже важкими для аналізу, являючи собою просто якийсь хаос. Обробка такого масиву інформації потребує значних обчислювальних потужностей та складних алгоритмів.

Крім того, більшість кабелів прокладено у густонаселених районах, що обмежує можливості вивчення віддалених територій. Отримання доступу до інфраструктури телекомунікаційних компаній та узгодження з державними органами також може бути непростим завданням. І, звичайно, не можна скидати з рахунків питання конфіденційності: надчутливі кабелі теоретично можуть вловлювати кроки чи навіть розмови, що викликає певні побоювання.

Проте вчені налаштовані оптимістично. Вони зазначають, що зараз відбувається процес з’ясування того, що можна здійснити, а що ні. І вже є проривні ідеї, як оминути деякі обмеження. Наприклад, нещодавні дослідження показали, що можна отримувати надійні дані DAS навіть з «активних» кабелів, які одночасно передають інтернет-трафік! Цей підхід, званий мультиплексуванням, полягає у ретельному підборі довжини хвилі лазерного променя так, щоб він не заважав основним сигналам. Якщо ця технологія набуде широкого поширення, для науки відкриється практично вся глобальна оптоволоконна мережа!

До «прозорої Землі»

Мрія про «прозору Землю», де ми могли б бачити і розуміти глибинні процеси нашої планети так само ясно, як бачимо хмари на небі, стає дедалі ближче. Оптоволоконні кабелі, спочатку створені для з’єднання людей, тепер з’єднують нас із таємницями надр. Це вражаючий приклад того, як існуючі технології можуть набути абсолютно нового, несподіваного застосування, відкриваючи перед людством захоплюючі перспективи у пізнанні світу, в якому ми живемо. І хто знає, які ще таємниці розкриють нам ці скромні підземні артерії знань? Щиро кажучи, майбутнє виглядає дуже інтригуючим.