Cabos de fibra óptica detectam e caracterizam terremotos

2 de agosto de 2023

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pelo Instituto de Tecnologia da Califórnia

Na Califórnia, milhares de quilômetros de cabos de fibra óptica cruzam o estado, fornecendo internet às pessoas. Mas estes cabos subterrâneos também podem ter uma função secundária surpreendente: podem detectar e medir terramotos. Em um novo estudo da Caltech, os cientistas relatam o uso de uma seção de cabo de fibra óptica para medir detalhes intrincados de um terremoto de magnitude 6, identificando a hora e a localização de quatro asperezas individuais, as áreas "presas" da falha, que levaram à ruptura. .

Durante vários anos, o professor de Geofísica Zhongwen Zhan e a sua equipa têm como objectivo mostrar que a reutilização de cabos de fibra óptica é uma forma simples de expandir drasticamente a nossa capacidade de medir a actividade sísmica, produzindo uma rede densa de sismómetros improvisados ​​num método chamado detecção acústica distribuída.

O novo estudo, publicado na revista Nature, utilizou apenas uma seção de 100 quilômetros de cabo para compreender com precisão a complexa mecânica por trás de um terremoto específico de 2021, sugerindo que o acesso a mais cabos permitiria uma melhor compreensão da física do terremoto e, em última análise, uma melhor antecipação do terremoto. sistemas de alerta.

“Se conseguirmos uma cobertura mais ampla para medir a atividade sísmica, poderemos revolucionar a forma como estudamos os terremotos e fornecer alertas mais antecipados”, diz Zhan. “Embora não possamos prever terremotos, a detecção acústica distribuída levará a uma melhor compreensão dos detalhes subjacentes à forma como a Terra se rompe”.

Existem cerca de 500 sismógrafos em cerca de 56.500 milhas quadradas no sul da Califórnia, e cada um custa até US$ 50.000. Por outro lado, a utilização de cabos de fibra óptica em todo o estado poderia equivaler a cobri-lo com milhões de sismógrafos.

Para usar um cabo de fibra óptica como sismômetro, emissores de laser são posicionados em uma extremidade do cabo, disparando feixes de luz através dos longos e finos fios de vidro que constituem o núcleo do cabo. O vidro tem pequenas imperfeições que refletem uma minúscula porção da luz para a fonte, onde é gravada.

Desta forma, cada imperfeição atua como um ponto de referência rastreável ao longo do cabo de fibra óptica, que normalmente fica enterrado logo abaixo do nível do solo. As ondas sísmicas que se movem através do solo fazem com que o cabo se mexa ligeiramente, o que altera o tempo de viagem da luz de e para esses pontos de referência. Assim, as imperfeições ao longo do comprimento do cabo funcionam como milhares de sismógrafos individuais que permitem aos sismólogos observar o movimento das ondas sísmicas.

Neste novo estudo, a equipe examinou as assinaturas de luz que viajam através de um trecho de cabo de fibra óptica localizado na Serra Nevada oriental durante o terremoto de magnitude 6 em Antelope Valley em 2021. A seção do cabo equivalia a 10.000 sismógrafos e conseguiu descobrir que o M6 era composto por uma sequência de quatro rupturas menores. Estes chamados “subeventos”, como miniterremotos, não puderam ser detectados por uma rede sísmica convencional.

Em colaboração com o laboratório de Nadia Lapusta, Lawrence A. Hanson, Jr., Professor de Engenharia Mecânica e Geofísica, a equipe conseguiu criar um modelo preciso do terremoto M6 com base na atividade sísmica medida. O modelo mostrou o tempo dos quatro subeventos e identificou suas localizações exatas na região da falha.

“O uso de cabos de fibra óptica como uma série de sismômetros revela aspectos da física dos terremotos que há muito foram levantados como hipóteses, mas difíceis de visualizar”, diz Zhan. "Como analogia, imagine o seu telescópio de quintal comum. Você pode ver Júpiter, mas provavelmente não consegue ver suas luas ou quaisquer detalhes. Com um telescópio realmente poderoso, você pode ver os detalhes do planeta e da superfície da lua. Nossa tecnologia é como um telescópio poderoso para terremotos."