In der traditionellen Seismologie, wo Forscher die Bodenbewegungen vor, während und nach einem Erdbeben untersuchen, werden Sensoren eingesetzt, deren Installation im Untergrund Zehntausende von Dollar kostet. Aufgrund des hohen Kosten- und Arbeitsaufwands wurden in abgelegenen Gebieten Kaliforniens bisher nur wenige seismische Sensoren installiert. Dies erschwert das Verständnis der Auswirkungen zukünftiger Erdbeben sowie kleinerer Beben an nicht identifizierten Verwerfungen.
Forscher des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) des US-Energieministeriums haben nun eine Methode entwickelt, um diese Herausforderungen zu meistern. Sie wandelten Teile eines fast 21.000 Kilometer langen Testnetzes für „dunkle Glasfasern“, das dem Energy Sciences Network (ESnet) des Energieministeriums gehört, in einen hochempfindlichen Sensor für seismische Aktivitäten um. Dieser könnte die Leistungsfähigkeit von Erdbebenfrühwarnsystemen, die derzeit im Westen der USA entwickelt werden, potenziell deutlich verbessern. Die Studie, die diese Arbeit detailliert beschreibt – die erste, die ein großes regionales Netzwerk als Erdbebensensor einsetzt –, wurde diese Woche in Nature Scientific Reports veröffentlicht.
Seismologie revolutionieren: Dunkle Glasfasern.
Laut Jonathan Ajo-Franklin, Wissenschaftler im Bereich Erd- und Umweltwissenschaften des Berkeley Lab und Leiter der Studie, gibt es weltweit rund 10 Millionen Kilometer Glasfaserkabel. Etwa 10 Prozent davon sind dunkle Glasfasern – Überbleibsel aus der Dotcom-Ära, als Telekommunikationsunternehmen in Windeseile riesige unterirdische Kabelnetze verlegten, um den Bedarf der aufstrebenden Branche zu decken. Mit der Verbesserung der Datenübertragungstechnologie sank der Bedarf an Kabeln jedoch, wodurch ein Bestand an dunklen Glasfasern ohne Lichteinfall zurückblieb, die nun ungenutzt bleiben.
Die Arbeitsgruppe um Ajo-Franklin forscht seit mehreren Jahren an solchen Experimenten. In einer Studie aus dem Jahr 2017 verlegten sie ein Glasfaserkabel in einem flachen Graben in Richmond, Kalifornien, und demonstrierten, dass sich mit einer neuen Sensortechnologie namens verteilte akustische Sensorik (DAS) der oberflächennahe Untergrund abbilden lässt. DAS misst seismische Wellenfelder, indem kurze Laserimpulse entlang der Faser ausgesendet werden. In einer Folgestudie demonstrierten sie und eine Gruppe von Mitarbeitern erstmals, dass Glasfaserkabel als Sensoren zur Erkennung von Erdbeben eingesetzt werden können.
Ein Forschungsteam unter der Leitung von Jonathan Ajo-Franklin vom Berkeley Lab führte seine Experimente an einem 32 Kilometer langen Abschnitt des 21.000 Kilometer langen ESnet Dark Fiber ESB durch, das sich von West Sacramento bis Woodland, Kalifornien, erstreckt. (Bildnachweis: Ajo-Franklin/Berkeley Lab)
Die aktuelle Studie verwendet dieselbe DAS-Technik, doch anstatt ein eigenes Glasfaserkabel zu verlegen, führten die Forscher ihre Experimente an einem 32 Kilometer langen Abschnitt eines fast 21.000 Kilometer langen ESnet Dark Fiber Testfelds durch, das sich ebenfalls von West Sacramento bis Woodland, Kalifornien, erstreckt. „Um unsere Ergebnisse aus der Studie von 2017 weiter zu bestätigen, war uns klar, dass wir die DAS-Tests an einem realen Dark Fiber Netzwerk durchführen mussten“, so Ajo-Franklin, der auch die Abteilung für Geophysik am Berkeley Lab leitet.
„Als Jonathan mir von unserem Dark-Fiber-Testnetzwerk erzählte, wusste ich gar nicht, dass man ein Netzwerk als Sensor nutzen kann“, sagt Inder Monga, Geschäftsführer von ESnet und Leiter der Abteilung für wissenschaftliche Netzwerke am Berkeley Lab. „So etwas hatte noch niemand zuvor gemacht. Aber die Möglichkeiten waren enorm, also sagte ich: ‚Klar, machen wir!‘“
Chris Tracy von ESnet arbeitete eng mit den Forschern zusammen, um die Logistik des Einsatzes zu planen. Das Telekommunikationsunternehmen CenturyLink stellte Informationen zur Glasfaserinstallation bereit.
Da das ESnet-Testnetzwerk eine regionale Abdeckung bietet, konnten die Forscher seismische Aktivitäten und Umgebungsgeräusche detaillierter überwachen als in früheren Studien.
„Die Abdeckung des ESnet Dark Fiber Testnetzwerks lieferte uns hochauflösende und großflächige Bilder des Untergrunds, als es mit einem herkömmlichen Sensornetzwerk möglich gewesen wäre“, sagt Mitautorin Veronica Rodriguez Tribaldos, Postdoktorandin in Ajo-Franklins Labor. „Herkömmliche seismische Netzwerke verwenden oft nur wenige Dutzend Sensoren, die mehrere Kilometer voneinander entfernt sind, um ein so großes Gebiet abzudecken. Mit dem ESnet Testbed und DAS hingegen haben wir 10.000 Sensoren in einer Linie mit einem Abstand von zwei Metern. Das bedeutet, dass man mit einem einzigen Glasfaserkabel über mehrere Monate hinweg sehr detaillierte Informationen über die Bodenstruktur sammeln kann.“
Tiefgründige Datenerhebung im Untergrund:
Durch die Kombination von DAS-Technologie und ungenutzten Glasfasern konnten Forscher des Berkeley-Labors lokale und weit entfernte Erdbeben von Berkeley über Gilroy (Kalifornien) bis nach Chiapas (Mexiko) erfassen.
Nach sieben Monaten Datenaufzeichnung mit DAS über das ESnet Dark Fiber Testbed demonstrierten die Forscher die zahlreichen Vorteile der Verwendung handelsüblicher Glasfasern. „Mit nur 40 Minuten Messzeit kann diese Technologie potenziell etwa zehn verschiedene Aufgaben gleichzeitig erfüllen. Wir konnten sowohl sehr niederfrequente Wellen von weit entfernten Erdbeben als auch die höheren Frequenzen von Fahrzeugen in der Nähe aufzeichnen“, so Ajo-Franklin. Die Technologie ermöglichte es den Forschern, zwischen einem fahrenden Auto oder Zug und einem Erdbeben zu unterscheiden und sowohl lokale als auch weit entfernte Erdbeben von Berkeley über Gilroy bis nach Chiapas (Mexiko) zu erfassen. Die Technologie kann außerdem zur Charakterisierung der Bodenqualität, zur Gewinnung von Informationen über Grundwasserleiter und zur Integration in geotechnische Studien eingesetzt werden, fügte sie hinzu.
Mit einem so detaillierten Bild des Untergrunds bietet die Technologie Potenzial für den Einsatz in Zeitrafferstudien von Bodeneigenschaften, sagte Rodríguez Tribaldos. Beispielsweise könnte dieses Instrument im Bereich der Umweltüberwachung eingesetzt werden, um langfristige Veränderungen des Grundwassers, das Auftauen des Permafrosts oder die hydrologischen Veränderungen im Zusammenhang mit Erdrutschgefahren zu erfassen.
Die Ergebnisse der aktuellen Studie legen zudem nahe, dass Forscher künftig nicht mehr zwischen Datenqualität und Kosten wählen müssen. „Handysensoren sind preiswert und informieren uns über starke Erdbeben in der Nähe, aber sie können die subtilen Erschütterungen der Erde nicht aufzeichnen“, so Koautor Nate Lindsey, Doktorand an der UC Berkeley, der die Feldarbeit und die Erdbebenanalyse für die Studie von 2017 leitete. „In dieser Studie zeigen wir, dass preiswerte Glasfasern diese winzigen Bodenbewegungen mit überraschender Qualität erfassen.“.
Da für die Studie 300 Terabyte Rohdaten gesammelt wurden, standen die Forscher vor der Herausforderung, die enorme Menge an seismischen Informationen effektiv zu verwalten und zu verarbeiten. Ajo-Franklin äußerte die Hoffnung, eines Tages ein seismologisches Datenportal zu entwickeln, das ESnet als Sensor und Datenübertragungsmechanismus mit der Langzeitdatenanalyse und -speicherung durch das Supercomputing-Zentrum NERSC (National Center for Scientific Computing for Energy Research) des Berkeley Lab kombiniert.
Monga fügte hinzu, dass, obwohl das Testnetz aus ungenutzten Glasfasern bald für die nächste ESnet-Generation, „ESnet 6“, in Betrieb genommen werde, möglicherweise Abschnitte für seismologische Zwecke genutzt werden könnten. „Es war völlig unerwartet, dass ESnet, ein transatlantisches Forschungsnetzwerk, als seismischer Sensor eingesetzt werden könnte, aber es passt perfekt zu unserer Mission“, sagte er. „Wir bei ESnet wollen wissenschaftliche Entdeckungen ohne geografische Einschränkungen ermöglichen.“
Die Forschung wurde vom Laboratory-Led Research and Development Fund finanziert; frühere Forschungsarbeiten wurden vom Strategic Environmental Defense Research Program (SERDP) des US-Verteidigungsministeriums unterstützt.
ESnet, eine Nutzereinrichtung des DOE Office of Science, ist ein leistungsstarkes, nicht klassifiziertes Netzwerk zur Unterstützung wissenschaftlicher Forschung. Es wird vom Berkeley Laboratory betrieben.
