如何利用光纖電纜傳播的信號進(jìn)行深海監(jiān)測

信號極化的微小擾動(dòng)可以暗示水下地震事件。

由于巨大的壓力和未知的黑暗，我們對海底有很多不了解。但那里發(fā)生的事情仍然會(huì)產(chǎn)生巨大影響。例如，深海地震會(huì)導(dǎo)致毀滅性的海嘯。如果，可以時(shí)刻密切留意到海底的狀況就好啦。

幸運(yùn)的是，盡管環(huán)境偏遠(yuǎn)且嚴(yán)酷，但我們已經(jīng)有大量潛在的視線在海底。大約有400 條光纖電纜跨越海洋。這些電纜已經(jīng)是全球互聯(lián)網(wǎng)的主干，試想一下，如果它們也能成為深海監(jiān)測和研究工作的主干呢？

這正是加州理工大學(xué)、谷歌和意大利拉奎拉大學(xué)的一組研究人員一直在研究的。在Optica上發(fā)表的一篇論文中，該研究小組概述了一種利用光纖傳輸信號的偏振擾動(dòng)來探測海底地震和海浪（如海嘯）的技術(shù)。

拉奎拉大學(xué)的物理學(xué)教授Antonio Mecozzi和該論文的合著者之一說：“大部分電纜在海洋下四公里，你無法下去看到下面到底發(fā)生了什么。”研究人員使用谷歌的Curie電纜，連接洛杉磯和智利瓦爾帕萊索。

研究人員發(fā)現(xiàn)的第一件事是Curie電纜的極化擾動(dòng)基線水平非常穩(wěn)定。換句話說，當(dāng)光信號沿著電纜長度傳輸時(shí)，這些信號的偏振不會(huì)因電纜本身而發(fā)生太大變化。“事實(shí)上，傳輸系統(tǒng)是如此穩(wěn)定，這就是為什么我們可以用它來測量（其他振動(dòng)）的原因，”Mecozzi說，“只有地震的強(qiáng)烈擾動(dòng)才能以我們可以測量的方式影響極化。”

研究人員發(fā)現(xiàn)，通過從Curie電纜末端的接收器獲取現(xiàn)成的數(shù)據(jù)，他們可以找出與基線水平的偏差，這些偏差暗示著地震或強(qiáng)大的水下波。

這項(xiàng)技術(shù)還需要一些發(fā)展，以使其更加敏感。事實(shí)上，Mecozzi說，如果電纜沒有一個(gè)穩(wěn)定的基線，該組織可能就無法發(fā)現(xiàn)地震造成的任何進(jìn)一步的極化變化。

在如何探測不同類型的地震方面，還有一些需要改進(jìn)的地方。研究人員意識到地震有時(shí)不會(huì)留下明顯的擾動(dòng)。奇怪的是，接收數(shù)據(jù)中是否出現(xiàn)地震與地震的震級無關(guān)。研究人員不確定為什么有些地震出現(xiàn)，有些沒有，但他們有理論。

“地震在地球上發(fā)生了一個(gè)復(fù)雜的破裂過程，而且地震會(huì)輻射各種波，”Jorge Castellanos表示，他是加州理工學(xué)院地球物理學(xué)的研究生，也是這篇論文的另一位合著者。并且，Castellanos認(rèn)為：“它們不只是輻射一種類型的波。是否通過極化擾動(dòng)記錄了地震，可能取決于到達(dá)電纜的地震波類型和方向?！?/p>

目前也不可能用這種方法來定位電纜沿線的地震。對于一個(gè)簡短的地區(qū)性電纜來說，這可能不是一個(gè)大問題，但Curie電纜的長度超過10000公里。當(dāng)然，知道地震發(fā)生在電纜附近的某個(gè)地方并不是很有用的信息。

然而，研究人員知道，他們目前對探測技術(shù)的了解有限，因?yàn)樗麄冎辉谝桓娎|上進(jìn)行了測試。他們希望，對其他電纜數(shù)據(jù)的類似分析能讓他們更好地了解他們的發(fā)現(xiàn)有多普遍，或者可以證實(shí)Curie電纜是否是一個(gè)幸運(yùn)的異?，F(xiàn)象。

最終，使用多根電纜可以幫助解決僅使用一根電纜時(shí)出現(xiàn)的定位問題。通過分析穿過同一海底同一區(qū)域的多條電纜的數(shù)據(jù)，并查看哪些電纜受到擾動(dòng)的影響，監(jiān)測系統(tǒng)可以更好地了解地震發(fā)生的位置。

Castellanos說，這項(xiàng)技術(shù)不必局限于探測海底地震或可能發(fā)展成危險(xiǎn)海嘯的水下波。同樣，以任何能力監(jiān)測海底確實(shí)很困難。隨著微擾技術(shù)的進(jìn)一步完善，他推測，可以根據(jù)深海波浪對電纜偏振隨時(shí)間變化的影響差異，監(jiān)測深海溫度等情況。

這可能有助于研究氣候變化如何影響或受到深海系統(tǒng)的影響。隨著時(shí)間的推移，從電纜信號極化的微小變化中獲得的信息可能會(huì)使我們對深海的理解發(fā)生巨大變化。

編輯：jq