The Nord Stream gas leak in the Baltic Sea photographed by Swedish Coast Guard aircraft on 27 September 2022. Researchers from the Norwegian University of Science and Technology (NTNU) think that fiber-optic cable networks might be suited to monitoring for these kinds of leaks with more testing and research. Credit:
Swedish Coast Guard

Tiny changes in a fiber the diameter of a hair

Fiber-optic cables are nothing new. They’re probably carrying the information your computer is decoding so you can read this article.

What has changed, however, are the tools that can be used to extract information from these networks. The tool in question has the rather alarming name of an interrogator.

The interrogator can be hooked up to a fiber-optic cable network to send a pulse of light through the cable. Any time a sound wave or an actual wave hits the underwater cable, the fiber flexes, just a little bit.

“And we can measure the relative stretch of the fiber extremely precisely,” Landrø said. “It has been around for a long time, this technology. But it has made a huge step forward in the last past five years. So now we are able to use this to monitor and measure acoustic signals over distances up to 100 to 200 kilometers. So that’s the new thing.”

Naukowcy z Norweskiego Uniwersytetu Nauki i Technologii mają teraz dostęp do strumienia danych w czasie rzeczywistym z kabla światłowodowego między Longyearbyen a Ny-Ålesund na Svalbardzie. Ten krótki film pokazuje finwala, który pływał obok kabla. Żółty „obraz” pojawia się, a następnie znika na dole wideo w kierunku środka, jest w rzeczywistości zapisem częstotliwości wokalizacji wieloryba, wynoszącej 20 Hz. Jest to typowa częstotliwość wokalizacji płetwali, w ten sposób naukowcy mogą ją zidentyfikować. Źródło: Centrum Prognoz Geofizycznych NTNU

Zespół Landrø — w tym naukowcy z Sikt, Norweskiej Agencji ds. Usług Wspólnych w Edukacji i Badań oraz Alcatel Submarine Networks Norway, AS, która dostarczyła przesłuchujących, wykorzystał kabel światłowodowy o długości 120 km między Longyearbyen, największą osadą na Svalbardzie, oraz Ny-Ålesund, placówka badawcza na południowo-zachodnim wybrzeżu największej wyspy archipelagu. Monitorowali kabel przez 44 dni w 2020 roku i zebrali ponad 800 odgłosów wielorybów. O tych wynikach można przeczytać tutaj.

„Kable światłowodowe między Longyearbyen a Ny-Ålesund, które zostały uruchomione w 2015 r. po 5 latach planowania i prac przygotowawczych, sfinansowane głównie przez nasze ministerstwo, miały służyć społeczności badawczej i stacji geodezyjnej w Ny Ålesund z wysokimi i elastyczną zdolność komunikacyjną”, powiedział Olaf Schjelderup, szef krajowej sieci badawczo-rozwojowej Sikt we wcześniejszym artykule na temat projektu monitorowania. Schjelderup był także współautorem nowego artykułu.

„Eksperyment z wykrywaniem DAS i obserwacją wielorybów pokazuje zupełnie nowe zastosowanie tego rodzaju infrastruktury światłowodowej, co skutkuje doskonałą, unikalną nauką” – powiedział.

Technologia jest dobra, ale zasięg nadal stanowi ograniczenie. Mamy nadzieję, że wraz z rozwojem technologii będzie jeszcze lepiej, powiedział Landrø.

„Chociaż obecne przesłuchujące nie są jeszcze w stanie wykrywać poza repeaterami zwykle używanymi w długich kablach światłowodowych, technologia rozwija się bardzo szybko i spodziewamy się, że wkrótce będziemy w stanie przezwyciężyć te ograniczenia” – powiedział Landrø.

Statki, trzęsienia ziemi i dziwny wzór fal

W procesie wykrywania wezwań wielorybów naukowcy byli również w stanie wykryć statki przepływające nad kablem lub w jego pobliżu, serię trzęsień ziemi i dziwny wzór fal, który ostatecznie zdali sobie sprawę, że był spowodowany odległymi burzami.

Pomiary były na tyle precyzyjne, że mogli skorelować swoje pomiary z każdym dokładnym zdarzeniem, które miało miejsce – w tym dużym trzęsieniem ziemi na Alasce, powiedział Landrø.

„Oczywiście widzieliśmy duży ruch statków i wiele trzęsień ziemi, z których największe miało miejsce na Alasce” – powiedział. „To było duże – widzieliśmy to na każdym kanale (w kablu) przez całe 120 km. Widzieliśmy też, że możemy wykrywać odległe burze”.

Jednym z przykładów, w jaki sposób system był w stanie wykryć statki, był Norbjørn, drobnicowiec, który został wykryty podczas przekraczania kabla światłowodowego około 86,5 km od Longyearbyen. Naukowcy byli w stanie oszacować prędkość statku na podstawie jego toru w poprzek kabla, a następnie zweryfikować go za pomocą toru automatycznego systemu identyfikacji (AIS) statku.

Kluczowa publikacja z 1963 r

Naukowcy byli początkowo zdziwieni dziesiątkami serii fal, które wykryli w okresie monitorowania. Każde zdarzenie falowe trwało od 50 do 100 godzin, przy czym częstotliwość fal wzrastała monotonicznie podczas zdarzenia. Ale w końcu zdali sobie sprawę, że tajemniczymi sygnałami były fale wysyłane przez odległe burze.

„Są to fizyczne fale oceanu, które przemieszczają się po powierzchni morza” – powiedział Landrø.

Najszybciej przemieszczają się fale o najniższej częstotliwości, a następnie fale o wyższej częstotliwości docierają nawet 6 dni później. Jest to wzór, który został rozpoznany w 1963 roku, kiedy oceanograf Walter Munk opublikował artykuł opisujący, w jaki sposób naukowcy mogli dowiedzieć się, skąd pochodzą fale generowane przez burze, mierząc nachylenie wykresu częstotliwość-czas fal i wykonując pewne obliczenia .

Korzystając z tych obliczeń, zespół Landrø zidentyfikował burzę tropikalną Eduardo, która znajdowała się 4100 km od Svalbardu w Zatoce Meksykańskiej. Zidentyfikowali także wielką burzę u wybrzeży Brazylii, 13 000 km od kabla Svalbard.

Więcej informacji o trzęsieniach ziemi

Geolodzy dysponują już siecią czujników, które pomagają im monitorować i mierzyć trzęsienia ziemi, zwanych sejsmometrami. Instrumenty te są czułe i dostarczają wielu szczegółowych informacji, powiedział Landrø.

Jednak sejsmometry są drogie i nie są tak szeroko rozpowszechnione, jak światowa sieć światłowodowa.

Jedyną wadą sieci światłowodowej jest niski stosunek sygnału do szumu. Oznacza to, że w tle jest dużo szumu, a sygnał — z trzęsienia ziemi — nie jest tak wyraźny ani silny w porównaniu z szumem w tle.

Ale zaletą sieci światłowodowej jest to, że jest szeroko rozpowszechniona i już istnieje, co oznacza, że ​​może dostarczać dodatkowych informacji do istniejących sejsmometrów. Ideą nie byłoby zastąpienie istniejącego systemu, ale jego uzupełnienie.

„Pytanie brzmi zatem, czego możemy się nauczyć z metody, która ma niższy stosunek sygnału do szumu, ale ma lepsze pokrycie przestrzenne? Jak moglibyśmy wykorzystać te dodatkowe informacje, nawet jeśli są one niższej jakości, aby dowiedzieć się więcej o trzęsieniu ziemi i jego właściwościach?” – powiedział Landrø.

Monitorowanie rurociągów pod kątem potencjalnego sabotażu

Pojawia się również pytanie, czy istniejące sieci światłowodowe mogłyby być wykorzystywane do monitorowania rurociągów podmorskich — co jest szczególnie ważne, biorąc pod uwagę eksplozję pod koniec września, która uszkodziła rurociągi Nord Stream 1 i 2.

„Czy możemy wykorzystać tę technologię światłowodową do monitorowania i ochrony infrastruktury na dnie morskim? To ważne pytanie – powiedział.

Wyzwanie związane z rurociągami polega na tym, że powodują one hałas, gdy gaz przepływa przez rurę.

„Dzięki szumowi tła musimy scharakteryzować naturalną zmienność. A jeśli coś zbliża się do tego rurociągu, jaki jest próg? Kiedy działasz, co możesz wykryć? I nie wiemy” – powiedział. „Więc plan jest taki, aby przeprowadzić dedykowane testy na ten temat”.

Ostatecznie pomysł mógłby polegać na monitorowaniu rurociągów w czasie rzeczywistym, aby upewnić się, że są one bezpieczne. Już teraz naukowcy dysponują strumieniem danych akustycznych w czasie rzeczywistym z sieci światłowodowej Svalbard.

Odniesienie: „Wykrywanie wielorybów, burz, statków i trzęsień ziemi za pomocą kabla światłowodowego w Arktyce”, Martin Landrø, Léa Bouffaut, Hannah Joy Kriesell, John Robert Potter, Robin André Rørstadbotnen, Kittinat Taweesintananon, Ståle Emil Johansen, Jan Kristoffer Brenne, Aksel Haukanes , Olaf Schjelderup i Frode Storvik, 10 listopada 2022 r., Raporty naukowe.
DOI: 10.1038/s41598-022-23606-x