Nella sismologia tradizionale, i ricercatori che studiano il movimento del terreno nei momenti precedenti, durante e successivi a un terremoto si affidano a sensori la cui installazione sotterranea costa decine di migliaia di dollari. A causa delle spese e della manodopera necessarie, solo pochi sensori sismici sono stati installati nelle aree remote della California, rendendo difficile comprendere l'impatto dei futuri terremoti, così come dei piccoli terremoti che si verificano su faglie non ancora identificate.
Ora, i ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno scoperto un modo per superare questi ostacoli convertendo porzioni di una rete di prova a "fibra ottica scura" lunga quasi 13.000 miglia, di proprietà dell'Energy Sciences Network (ESnet) del Dipartimento dell'Energia, in un sensore di attività sismica altamente sensibile che potrebbe potenzialmente migliorare le prestazioni dei sistemi di allerta precoce per i terremoti attualmente in fase di sviluppo negli Stati Uniti occidentali. Lo studio che descrive in dettaglio il lavoro, il primo a utilizzare una grande rete regionale come sensore sismico, è stato pubblicato questa settimana su Nature Scientific Reports.
Rivoluzionare la sismologia con la fibra ottica spenta.
Secondo Jonathan Ajo-Franklin, ricercatore presso l'Area di Scienze della Terra e dell'Ambiente del Berkeley Lab e responsabile dello studio, esistono circa 10 milioni di chilometri di cavi in fibra ottica in tutto il mondo, e circa il 10% di questi è costituito da fibra spenta, retaggio del boom delle dot-com, quando le compagnie di telecomunicazioni si affrettarono a installare vaste reti di cavi sotterranei per soddisfare le esigenze di un settore emergente. Con il miglioramento della tecnologia di trasmissione dati, tuttavia, la necessità di cavi si è ridotta, lasciando dietro di sé un'eredità di fibra ottica spenta, in attesa di essere utilizzata.
Il gruppo di Ajo-Franklin lavora a questo tipo di esperimenti da diversi anni. In uno studio del 2017, hanno posato un cavo in fibra ottica in una trincea poco profonda a Richmond, in California, e hanno dimostrato che una nuova tecnologia di rilevamento chiamata rilevamento acustico distribuito (DAS) poteva essere utilizzata per visualizzare il sottosuolo superficiale. Il DAS è una tecnologia che misura i campi delle onde sismiche emettendo brevi impulsi laser lungo la fibra. In uno studio successivo, loro e un gruppo di collaboratori hanno dimostrato per la prima volta che i cavi in fibra ottica potevano essere utilizzati come sensori per rilevare i terremoti.
Un team di ricerca guidato da Jonathan Ajo-Franklin del Berkeley Lab ha condotto i suoi esperimenti su un segmento di 32 chilometri della rete in fibra ottica ESnet Dark Fiber ESB, lunga 21.000 chilometri, che si estende da West Sacramento a Woodland, in California. (Credito: Ajo-Franklin/Berkeley Lab)
Lo studio attuale utilizza la stessa tecnica DAS, ma invece di installare un proprio cavo in fibra ottica, i ricercatori hanno condotto i loro esperimenti su un segmento di 32 chilometri di un banco di prova in fibra ottica ESnet lungo quasi 21.000 chilometri, che si estende da West Sacramento a Woodland, in California. "Per verificare ulteriormente i nostri risultati dello studio del 2017, sapevamo che avremmo dovuto condurre i test DAS su una rete in fibra ottica reale", afferma Ajo-Franklin, che dirige anche il Dipartimento di Geofisica del Berkeley Lab.
"Quando Jonathan mi ha parlato della possibilità di utilizzare il nostro banco di prova in fibra ottica, non sapevo nemmeno che fosse possibile usare una rete come sensore", afferma Inder Monga, direttore esecutivo di ESnet e direttore della divisione Science Networking del Berkeley Lab. "Nessuno aveva mai fatto un lavoro del genere prima. Ma le possibilità erano enormi, quindi ho detto: 'Certo, facciamolo!'"
Chris Tracy di ESnet ha lavorato a stretto contatto con i ricercatori per definire la logistica dell'implementazione. La società di telecomunicazioni CenturyLink ha fornito le informazioni per l'installazione della fibra.
Grazie alla copertura regionale del banco di prova ESnet, i ricercatori sono stati in grado di monitorare l'attività sismica e il rumore ambientale con maggiore dettaglio rispetto agli studi precedenti.
"La copertura del banco di prova in fibra ottica ESnet ci ha fornito immagini del sottosuolo con una risoluzione più elevata e su una scala più ampia di quanto sarebbe stato possibile con una rete di sensori tradizionale", afferma la coautrice Veronica Rodriguez Tribaldos, ricercatrice post-dottorato nel laboratorio di Ajo-Franklin. “Le reti sismiche convenzionali spesso impiegano solo poche decine di sensori distanziati di diversi chilometri per coprire un'area così vasta, ma con la piattaforma di test ESnet e il sistema DAS abbiamo 10.000 sensori in linea con una spaziatura di due metri. Ciò significa che con un singolo cavo in fibra ottica è possibile raccogliere informazioni molto dettagliate sulla struttura del suolo per diversi mesi.”
Scavi profondi per dati sotterranei:
combinando la tecnologia DAS con la fibra ottica spenta, i ricercatori del laboratorio di Berkeley sono stati in grado di rilevare terremoti locali e distanti, da Berkeley a Gilroy, in California, fino al Chiapas, in Messico.
Dopo sette mesi di utilizzo della tecnologia DAS per registrare dati attraverso il banco di prova in fibra ottica spenta ESnet, i ricercatori hanno dimostrato i numerosi vantaggi derivanti dall'utilizzo di fibra ottica disponibile in commercio. "Ascoltando per soli 40 minuti, questa tecnologia ha il potenziale per fare circa 10 cose diverse contemporaneamente. Siamo stati in grado di catturare onde a bassissima frequenza provenienti da terremoti distanti, così come le frequenze più alte generate dai veicoli nelle vicinanze", ha affermato Ajo-Franklin. La tecnologia ha permesso ai ricercatori di distinguere tra un'auto o un treno in movimento e un terremoto, e di rilevare terremoti sia locali che distanti, da Berkeley a Gilroy e al Chiapas, in Messico. La tecnologia può anche essere utilizzata per caratterizzare la qualità del suolo, fornire informazioni sulle falde acquifere ed essere integrata in studi geotecnici, ha aggiunto.
Grazie a un'immagine così dettagliata del sottosuolo, questa tecnologia ha il potenziale per essere utilizzata in studi time-lapse delle proprietà del suolo, ha affermato Rodríguez Tribaldos. Ad esempio, nel monitoraggio ambientale, questo strumento potrebbe essere utilizzato per rilevare cambiamenti a lungo termine nelle acque sotterranee, nello scioglimento del permafrost o nelle variazioni idrologiche associate al rischio di frane.
I risultati del presente studio suggeriscono inoltre che i ricercatori potrebbero non dover più scegliere tra qualità dei dati e costi. "I sensori dei telefoni cellulari sono economici e ci informano quando si verifica un forte terremoto nelle vicinanze, ma non sono in grado di registrare le sottili vibrazioni del pianeta", ha affermato il coautore Nate Lindsey, studente laureato all'UC Berkeley che ha guidato il lavoro sul campo e l'analisi dei terremoti per lo studio del 2017. "In questo studio, dimostriamo che le fibre ottiche economiche rilevano questi minuscoli movimenti del terreno con una qualità sorprendente".
Con 300 terabyte di dati grezzi raccolti per lo studio, i ricercatori si sono trovati di fronte alla sfida di trovare modi per gestire ed elaborare efficacemente l'enorme flusso di informazioni sismiche. Ajo-Franklin ha espresso la speranza di poter un giorno costruire un portale di dati sismologici che combini ESnet come sensore e meccanismo di trasferimento dati, con l'analisi e l'archiviazione a lungo termine dei dati gestite dal centro di supercalcolo del Berkeley Lab, NERSC (National Center for Scientific Computing for Energy Research).
Monga ha aggiunto che, sebbene il banco di prova in fibra ottica spenta sarà presto attivato per la prossima generazione di ESnet, denominata "ESnet 6", potrebbero esserci sezioni utilizzabili per la sismologia. "Sebbene fosse del tutto inaspettato che ESnet, una rete transatlantica dedicata alla ricerca, potesse essere utilizzata come sensore sismico, si adatta perfettamente alla nostra missione", ha affermato. "In ESnet, vogliamo rendere possibili le scoperte scientifiche senza vincoli geografici."
La ricerca è stata finanziata dal Laboratory-Led Research and Development Fund, con precedenti ricerche supportate dallo Strategic Environmental Defense Research Program (SERDP) del Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti.
ESnet, una struttura per utenti dell'Ufficio della Scienza del Dipartimento dell'Energia, è una rete ad alte prestazioni non classificata, creata per supportare la ricerca scientifica. È gestita dal laboratorio di Berkeley.
