Neue Unterseekabeltechnologie ist wie „ein leistungsstarkes Teleskop für Erdbeben“

Aug 02, 2023

Imaginima/iStock

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In einer neuen Studie am Caltech haben die unscheinbaren unterirdischen Glasfaserkabel, die die Landschaft Kaliforniens durchziehen, einen besonderen Vorteil offenbart: die Erkennung und Messung von Erdbeben.

Während diese Kabel eine Internetverbindung ermöglichen, wurde ein Abschnitt des Glasfaserkabels umfunktioniert, um die komplizierten Mechanismen eines Erdbebens der Stärke 6 zu untersuchen und Aufschluss über die Details seines Bruchvorgangs zu geben.

Die Ergebnisse, die am 2. August in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht wurden, verdeutlichen das Potenzial von Glasfaserkabeln zur Verbesserung des Verständnisses von Erdbeben und von Frühwarnsystemen, sofern eine breitere Kabelabdeckung erreicht wird.

Nur um es klarzustellen: Die Erdbebenerkennung durch Unterwasserkabel ist kein neues Konzept. Tatsächlich berichtete Interesting Engineering (IE) zuvor, wie mindestens 400 davon weltweit genutzt werden können, wie in einer Frage-und-Antwort-Runde mit einem Experten enthüllt wurde.

Nun hat ein Team um Professor Zhongwen Zhan, Professor für Geophysik, in einer aktuellen Pressemitteilung eine innovative Methode namens „Distributed Acoustic Sensing“ vorgestellt.

Indem sie Glasfaserkabel als provisorische Seismometer umfunktionierten, nutzten sie einen Kabelabschnitt von lediglich 100 Kilometern Länge, um Einblicke in die komplexe Dynamik eines bestimmten Erdbebens im Jahr 2021 zu gewinnen.

„Wenn wir eine breitere Abdeckung zur Messung seismischer Aktivität erreichen können, können wir die Art und Weise, wie wir Erdbeben untersuchen, revolutionieren und mehr Vorwarnungen bereitstellen“, erklärte Zhan in einer Pressemitteilung.

„Obwohl wir Erdbeben nicht vorhersagen können, wird die verteilte akustische Erfassung zu einem besseren Verständnis der Details führen, die dem Bruch der Erde zugrunde liegen.“

In Südkalifornien gibt es rund 500 Seismometer, die eine riesige Fläche von rund 56.500 Quadratmeilen abdecken und jeweils bis zu 50.000 Dollar kosten. Im Gegensatz dazu könnte die Nutzung von Glasfaserkabeln die Region praktisch mit Millionen kostengünstiger Seismometer überdecken.

Die geniale Technik besteht darin, Lasersender an einem Ende des Kabels zu platzieren und Lichtstrahlen durch die Glasstränge zu schicken, aus denen der Kabelkern besteht.

Unvollkommenheiten im Glas reflektieren einen Bruchteil des Lichts zur Aufnahme zurück zur Quelle. Dadurch wird das Kabel in ein Netzwerk verfolgbarer Wegpunkte umgewandelt, das auf Bodenbewegungen reagiert, indem es die Lichtlaufzeiten zwischen diesen Punkten ändert.

Mit freundlicher Genehmigung von Z. Zhan

Im Wesentlichen fungieren die Unvollkommenheiten des Kabels als Tausende einzelner Seismometer, die es Seismologen ermöglichen, seismische Wellenbewegungen zu erfassen.

In der Studie konzentrierte sich das Team auf Lichtsignaturen in einem Glasfaserkabelabschnitt in der östlichen Sierra Nevada während des Erdbebens der Stärke 6 im Antelope Valley im Jahr 2021.

Dieser Abschnitt mit einer Auflösung von 10.000 Seismometern entschlüsselte die Komplexität des Erdbebens und enthüllte eine Abfolge von vier kleineren Brüchen oder „Unterereignissen“. Diese schwer fassbaren Unterereignisse, die Mini-Erdbeben ähneln, entzogen sich konventionellen seismischen Netzwerken.

In Zusammenarbeit mit dem Labor von Nadia Lapusta erstellte das Team anhand der gemessenen seismischen Daten ein genaues Modell des M6-Erdbebens. Das Modell beschrieb den Zeitpunkt und die Fehlerregionen der vier Unterereignisse genau.

„Stellen Sie sich als Analogie Ihr alltägliches Hinterhofteleskop vor. Sie können Jupiter sehen, aber wahrscheinlich nicht seine Monde oder andere Details“, sagte Zhan.

„Mit einem wirklich leistungsstarken Teleskop kann man die feinen Details des Planeten und der Mondoberflächen erkennen. Unsere Technologie ist wie ein leistungsstarkes Teleskop für Erdbeben.“

Das Potenzial der Umnutzung von Glasfaserkabeln als seismische Instrumente ist vielversprechend und bietet eine kostengünstige Möglichkeit, unser Verständnis von Erdbeben zu erweitern – und im Idealfall ihre Auswirkungen abzumildern.

Während die Wissenschaft weiterhin technologische Innovationen mit den natürlichen Prozessen der Erde verbindet, wird die Zukunft der Erdbebenforschung mit jedem Lichtimpuls, der durch vergrabene Kabel fließt, rosiger.

Die vollständige Studie wurde am 2. August in Nature veröffentlicht.