シャンドウの机の上には、ハードドライブのきちんとしたタワーが3つあります。 わずか数か月で入力され、約500テラバイトの地震データが含まれています。 膨大な量のデータを収集して処理する必要があります。これは、1970年に遡るアーカイブを持つ全国的な地震データのリポジトリに現在保持されている量をわずかに上回ります。
これらすべての情報はどこから注がれていますか？ 答えはあなたの足の下にあります：光ファイバー。
DouはLawrence Berkeley National Laboratoryのポスドク研究員であり、地すべり、永久凍土のスランプ、陥没穴、さらには二酸化炭素の注入の変化を監視するために、地球を横断する数千マイルの光ファイバーケーブルを地球災害の認識に使用しています。 しかし、Douの基礎研究に基づいて、先月ジャーナルGeophysical Research Lettersに発表された新しい研究では、研究者は、特定の危険性を検出するための繊維の潜在性と汎用性に着目しました：地震。
地面の小さな揺れを検出するために、研究者は通常、地震計と呼ばれる敏感な機器を使用します。 ただし、これらの各ユニットは、設置に費用がかかり、保守が困難になる場合があります。 そして、それらは常に使用可能であるとは限らない、とカリフォルニア大学バークレー校の地震研究所の博士課程学生であり、新しい研究の筆頭著者であるネイト・リンジーは説明します。 「地震計を設置することが重要かもしれない地域があります。私は沖合で、都市部で…物流の観点からもセキュリティの観点からも難しいと考えています」と彼は言います。
ネイトリンジーがリッチモンドフィールドステーションでケーブルをトリム（提供：Jonathan Ajo-Franklin） それが光ファイバーとデータの山がやってくる場所です。数千本の光ファイバー回線がわが国を横断し、海にまで延びています。 したがって、研究者がこのシステムを地震モニタリングに利用できれば、前例のない量の情報を提供できると、カリフォルニア大学バークレー校でリンジーと共に博士号を修めたDou氏は述べています。
アイデアはかなり単純です。 多くの光ファイバー会社は、必要以上に多くの光ファイバーケーブルを設置します。その結果、地震検知などの代替目的に使用できる、いわゆる「ダークファイバー」（地下導管に束ねられたファイバー）のシステムができます。 しかし、これらの光ファイバー回線のそれぞれは不完全です。 個々の光ファイバーストランドに光を照射すると、構造内のこれらの欠陥が光の一部を跳ね返します。 研究者は、回線の一方の端にレーザー干渉計と呼ばれるものを取り付けて、これらの返されたグリマーの変化、地面の振動による目立った微細な圧縮またはケーブルの延長を送信および測定できます。
「ネットワーク内のすべての光ファイバはセンサーのように機能し、設置にかかる費用は1ドル未満です」とスタンフォードの地球物理学者で新しい論文の著者であるBiondo Biondi氏はプレスリリースで述べています。 「そのようなカバレッジ、密度、価格の従来の地震計を使用してネットワークを作成することはできません。」
「それが美しさです」とDou氏は説明します。「特別なものを作る必要はありません。すでに広く利用可能なものを購入するだけです。」
しかし、これらのファイバーを地震検出に使用する方法を正確に把握するには、もう少し手間がかかります。 1つの大きな未知数は感度です。 地面の振動を測定するためのこの光ファイバーの使用は、近づいてくる車のumble音を聞くようなことをすることによってパイプラインと井戸を監視するためにラインを使用した石油とガス産業から現れました。 しかし、これらの目的のために、光ファイバーは通常「結合」または地面にセメントで固定されており、地球の不平や揺れをより効率的に繊維に伝達します。
「人々はこれがうまくいくとは信じていませんでした」と、Biondiの研究室の大学院生で論文の別の著者であるEileen Martin氏は言います。 「彼らは常に、結合されていない光ファイバはあまりにも多くの信号ノイズを生成すると有用だと想定していました。」しかし、スタンフォード、カリフォルニア大学バークレー校、バークレー国立研究所間の共同作業として行われた初期テストは有望です。
UC Berkeleyの研究者は、光ファイバーを使用して地下を監視し、地下水面などの重要な特徴の変化を調査するために、ファイバーで車を追い越すような周囲の騒音を記録することに取り組んでいます。 （9月に、チームは、アラスカの米陸軍寒冷地研究所およびスタンフォード大学の科学者と共同で、この研究をJournal Scientific Reportsで発表しました 。 ）地震モニタリングの光ファイバーの可能性に関する新しい研究について、科学者は比較しましたアラスカ州フェアバンクス近くの埋設光ファイバー回線、カリフォルニア州リッチモンドの埋設L字型回線、スタンフォード大学のキャンパスの下を走る既存の通信コンジットに設置された8字型ループなど、3つの異なる光ファイバーアレイを使用した地震観測。
Jonathan Ajo-Franklin（左）リッチモンドフィールドステーションに実験用光ファイバーテストアレイを設置。 （提供：Jonathan Ajo-Franklin） チームは、3つのシステムすべてで一連のイベントを記録しました。 スタンフォードループだけでも、2016年9月にデータ収集が開始されて以来、研究者は800を超えるテンブラーをカタログ化し、イベントの通過後にデータ内の信号を取り出しました。 「メキシコ、イタリア、オクラホマ、そしてスタンフォード大学の小さな子供たちから見ることができます」とビオンディは言います。
地図は、光ファイバー地震観測所の一部としてスタンフォード大学キャンパスの下に設置された光ファイバーの3マイル、図8のループの位置を示しています。 （スターメンデザインとビクトリアアンドアルバート博物館） 全体的に結果は勇気づけられます。 Biondiが言うように、「潜在的にすべてのピースがそこにある」が、システムを稼働させるためには、さらに作業が必要です。
現在、リンジーと彼のチームは、CenturyLinkが最近購入した会社Level 3 Communicationsが所有するカリフォルニア州サクラメントの13マイルのダークファイバーで光ファイバーの機能をテストしています。 彼らは測定した信号を従来の地震計と比較しています。
「比較は良い」とリンジーは言う。 「光ファイバセンシングの長所と短所を理解して明確にするために、さらに多くの研究を行う必要があります。しかし、光ファイバセンサにはノイズレベルを超える信号があり、有用です。」 彼らはこのプロジェクトの原稿を準備し、来月、査読済みのジャーナルに投稿するために提出します。
感度は、光ファイバ地震センシングの広範なアプリケーションにとって依然として懸念事項です。 「今のところ、繊維は従来の地震計よりも感度が低い傾向があります」とDou氏は言います。 他の同僚は、光ファイバーセンシング機能を改善する方法を現在調査していると彼女は述べています。 また、既存の通信ネットワークの設置条件について多くの不明な点があります。 コンジット内の光ファイバーケーブルの数などの小さな調整は、検出に影響を与える可能性があり、したがって、地震に関する正確な情報を伝達するファイバーの能力に影響を与える可能性があります。
同様に重要なのは、このような大量のデータをリアルタイムで処理および分析する方法を開発する必要性です。 「これは、扱うべきデータの素晴らしい遊び場です」とリンジーは言います。 「しかし、学生がこの種の問題を解決するのにハードドライブのスーツケースを必要としない日が来ることを楽しみにしています。」
過去20年間光ファイバセンサーを使用してきた海軍の研究者であるClay Kirkendallにとって、新しいシステムではコストが依然として懸念事項です。 「確かに繊維はすでにそこにあり、それがコストの大きな部分を占めています」と、研究に参加していなかったカーケンドールは言います。 しかし、ラインに光をバウンスして戻り信号を測定するデバイスが依然として必要です。システムのこの側面をスキップすると、感度が犠牲になる可能性があります。 現時点で高品質のレーザー質問機がどれくらいの費用がかかるかは不明ですが、Biondiは技術が進歩するにつれてこれらのシステムの費用が下がることを期待しています。
研究者がこれらのねじれを解決できれば、光ファイバーは地震監視の多くの課題に対する解決策を提供できます。 この技術は、近隣の地震をコミュニティに警告して衝撃に備えるための余分な時間のほんの一部を与えるシステムを改善するのに特に役立ちます。 こうしたネットワークのプラスの影響と失敗は、メキシコの一連の地震で今年初めに強調されました。
光ファイバー地震観測所は、2017年9月8日にメキシコ中部を襲ったマグニチュード8.2の地震を正常に検出しました。（Siyuan Yuan） メキシコの地震警報システム（SASMEX）は、保留中の地震を一般に知らせる最初の早期警報システムです。 地震を監視するために伝統的に使用されていた機器である地震計のネットワーク、国のスペックルセクション、振戦の監視。 このネットワークが潜在的な懸念に十分な大きさのものを登録するとすぐに、警告が消えます。これにより、数秒から1分間の着信衝撃が通知されます。
リンジーは、既存のシステムを置き換えることではなく、「最高の[光ファイバー]が最高の地震計ほど良くないかもしれない」と強調し、むしろ強化することを強調しています。 「光ファイバー地震学は、地球の周りで現在構築されている地震早期警報技術を補完する素晴らしい方法であると考えています」と彼は言います。
これを実現するためにやるべきことはまだたくさんありますが、研究者や多くの大学のチームがこのケースに取り組んでいます。 「これは本当に大きな努力です」とDou氏は述べ、CalTechのチームが同様のダークファイバープロジェクトに取り組んでいると述べています。
「それは急速に発展している分野であり、先駆的な立場にいることができて幸運です」と彼女は言います。
