Большинство европейских государств на сегодняшний день располагают достаточно разветвленными сетями станций, отслеживающих землетрясения. Однако этого явно недостаточно, для их своевременного предсказания, поскольку в других, не столь богатых регионах планеты, банально не хватает средств на развертывание требуемого количества пунктов мониторинга. Что же касается океанов, занимающих около 75 процентов всей поверхности Земли, то тут необходима значительно более сложная аппаратура, способная не только фиксировать сейсмическую активность, находясь на глубинах в тысячи метров, но и передавать полученную информацию на поверхность. Создание и развертывание таких систем накладно даже для развитых стран.
Принцип измерения и экспериментальная установка. (а) Схема интерферометрического измерения
Однако специалисты из Института геофизики ETH Цюриха совместно со Швейцарским федеральным институтом метрологии (METAS) предложили оригинальный и, самое главное, вполне бюджетный подход, позволяющий с высокой точностью фиксировать "дрожь Земли".
«Мы воспользуемся функцией, которую уже выполняет существующая волоконно-оптическая инфраструктура: мы получаем данные о вибрации от системы активного шумоподавления, задача которой — повысить точность сигналов при оптической передаче данных»,
— объясняет профессор геофизики Андреас Фихтнер.
Дело в том, что при передаче сигнала на большие расстояния в современных оптоволоконных системах используется специальная функция: активное фазовое шумоподавление (PNC), которая позволяет пользователям получать исходные данные практически без искажений.
Если не углубляться в технические детали работы этой системы, то выглядит это примерно следующим образом. Отправляется исходный сигнал, приемник получает его и возвращает назад его некоторую часть, которая сравнивается с изначальным сигналом. Различие между ними - это и есть тот шум, который влиял на сигнал во время его движения по оптоволоконному кабелю. Остается лишь сформировать антисигнал и с его помощью скомпенсировать помехи.
Но, как выясняется, информация о помехах полезна не только для повышения качества передачи сигнала. Она несет в себе и данные о землетрясениях, происходящих в том месте, где проходит кабель.
При передаче сигнала по оптоволоконному кабелю причиной возникновения помех являются крохотные - всего на микроны - деформации оптического волокна. Они возникают вследствие воздействия различных факторов, таких как, например, скачки атмосферного давления, волнение на море и, в том числе, в результате землетрясений. Каждое воздействие приводит к совсем небольшому изменению длины волокна. А это, в свою очередь, вызывает пусть и небольшие, но, тем не менее, вполне фиксируемые колебания скорости света в волокне и изменения частоты сигнала. Эти изменения являются совсем небольшими, но при этом они дают весьма подробную картину вибраций, которым подвергались оптоволоконные кабели.
Остается лишь сохранить системы PNC и соответствующим образом обработать их. И отпадает потребность в создании и развертывании специальной инфраструктуры
Таким образом ученые-геофизики из ETH Zurich продемонстрировали, что волны землетрясения магнитудой 3,9 фиксируются системой PNC. Эта методика, опубликованная в журнале Scientific Reports, может быть применена для формирования разветвленных систем раннего предупреждения о землетрясениях и цунами при весьма скромных затратах.
«Используя PNC оптоволоконной линии связи между Базелем и станцией атомных часов в METAS в Берне, мы смогли детально отследить каждую волну землетрясения магнитудой 3,9 в Эльзасе. И, что очень важно, модель землетрясения, основанная на наших данных, чрезвычайно точно соответствовала измерениям, проведенным Швейцарской сейсмологической службой»,
— говорит Фихтнер.
Эта высокая степень совпадения показывает, что информацию систем активного шумоподавления можно использовать для определения местоположения, глубины и магнитуды землетрясения, что особенно важно для их своевременного предсказания и предупреждения о цунами.
