使用光纖光纜和傳感器來監(jiān)測和追蹤海冰

全球氣候變化迅速，氣溫飆升，冰層正在退縮?？茖W家們正在轉向光纖光纜和傳感器來監(jiān)測和追蹤海冰。

新墨西哥大學（UNM；Albuquerque，NM）的研究人員正在使用在電信和石油天然氣行業(yè)較為成熟的技術。該團隊已經(jīng)利用阿拉斯加北部奧利克托克角海岸外（off the shore of Oliktok Point in northern Alaska海底的電信光纜來監(jiān)測海冰。

光纖光纜不僅可以用于提供高速數(shù)據(jù)連接，還可以用于測量沿光纜的地面振動，”UNM的博士后研究員安德烈斯·費利佩·佩納·卡斯特羅（Andres Felipe Pe?a Castro）說。

這項工作主要集中在一段37公里（23英里）的光纖光纜上，是在7月至11月之間的過渡性海冰覆蓋期間進行的（見圖2）。

圖2：這張奧利克托克角（Oliktok Point，阿拉斯加）地圖顯示了海底光纜（灰線）的布局。分布式聲學傳感記錄了光纜前37.4公里的數(shù)據(jù)。黑色菱形和灰色圓圈分別代表沿光纜5公里和1公里的間隔。插圖顯示了奧利克托克（紅色方塊）相對于阿拉斯加的位置。

Adjoining approaches

Pe?a Castro的團隊將分布式聲學傳感（DAS）探測器連接到光纖光纜的一端，光纖光纜將光脈沖信號發(fā)送到各處。光脈沖沿光纜在多個點處反彈，反射光由探測器測量。Pe?a Castro解釋道，它告訴研究人員整條光纜每隔幾米會發(fā)生多少變形，并指出DAS會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)并記錄多個過程。通過檢查反射脈沖時間的變化，他們可以更好地了解由此產(chǎn)生的地震波。

Pe?a Castro說：“我們使用光纖光纜來識別海洋、地球甚至大氣相互作用中可能出現(xiàn)的不同信號。其中一些信號可能是當?shù)氐暮r和風暴潮、海冰斷裂和淺灘。我們希望客觀地識別數(shù)據(jù)中的主要信號類型。”

該技術記錄了周圍地震噪聲和海冰覆蓋的精細時空細節(jié)變化——這是研究人員沒有預料到的。他們也沒有預料到這些變化發(fā)生的速度有多快，在不到24小時內，突然變化觀測到高達約10公里。

研究人員使用分布式聲學傳感技術，以更高的分辨率（分鐘和米）記錄了海冰范圍的變化。Pe?a Castro（佩尼亞·卡斯特羅）指出：“我們證明了光纖光纜具有這種能力。而且，其記錄范圍僅受限于光纖光纜的安裝位置，即局部范圍?！?/p>

通過機器學習，研究團隊在其數(shù)據(jù)中識別出了潛在的模式，以及數(shù)據(jù)中的主要信號類型，而無需預先假設信號的數(shù)量或主導類型。

該團隊還在探索其他現(xiàn)象，包括由冰震、船只和海洋哺乳動物產(chǎn)生的信號?！昂１淖兓菤夂蜃兓闹甘酒髦?。通常，海冰范圍的測量主要依賴于衛(wèi)星觀測。然而，研究表明，在北極地區(qū)部署的光纖光纜將能夠以更詳細程度來限制海冰的測量?！?/p>

此研究為光纖光纜在氣候和地球科學領域的應用開辟了新的可能性。除了海冰監(jiān)測，這種技術還可應用于其他環(huán)境現(xiàn)象的長期、高分辨率監(jiān)測，如地震活動、火山噴發(fā)、海洋環(huán)流等。

作者：Justine Murphy







審核編輯：劉清