Predecir terremotos y tsunamis con redes de fibra óptica

fibra óptica
Fibras ópticas como sensor: los investigadores obtienen datos de vibración a partir de la supresión de ruido, lo que aumenta la precisión de las señales en la comunicación óptica de datos.

Las olas hacen que fluctúe ligeramente la velocidad de la luz en la fibra

Los geofísicos de la ETH Zurich han demostrado que cada onda de un terremoto de magnitud 3,9 se registra en el sistema de supresión de ruido de las redes de fibra óptica. Este método se puede utilizar para establecer sistemas de alerta temprana de terremotos y tsunamis a bajo costo.

Para países ricos como Suiza, es algo natural tener una densa red de estaciones de monitoreo de terremotos. Este no es el caso en los países menos desarrollados ni en los fondos de los océanos del mundo. Mientras que las regiones más pobres carecen de dinero para la cantidad necesaria de sensores, los océanos requieren complejos sistemas que puedan medir de manera confiable cambios mínimos de presión a profundidades de miles de metros y llevar las señales de datos a la superficie.

Uso secundario de datos de supresión de ruido

Científicos del Instituto de Geofísica de ETH Zurich, en colaboración con el Instituto Federal Suizo de Metrología (METAS), han encontrado un método asombroso y económico que permite mediciones precisas de terremotos incluso en el fondo del océano y en países menos desarrollados.

"Aprovechamos una función que ya realiza la infraestructura de fibra óptica existente: obtenemos los datos de vibración del sistema de supresión activa de ruido, que tiene la función de aumentar la precisión de las señales en la comunicación óptica de datos", explica el profesor de geofísica Andrés Fichtner. Todo lo que se necesita es almacenar los datos de supresión activa de ruido y evaluarlos, sin necesidad de dispositivos adicionales ni costosa infraestructura.

El 'ruido' de vibración se extingue

Para comprender cómo la cancelación activa de ruido de fase (PNC) puede medir los temblores sísmicos, es útil compararla con los sistemas de supresión de ruido de los actuales auriculares de gama alta, que hacen que el ruido ambiental desaparezca casi por completo para los usuarios. Estos auriculares cuentan con micrófonos que captan el ruido externo. Esta señal se invierte y luego se introduce en las señales de audio prácticamente en tiempo real. La señal de fase invertida cancela el ruido externo uno a uno, haciéndolo inaudible.

En la PNC de un sistema óptico de comunicación de datos, el "ruido ambiental" en la fibra óptica se determina comparando la señal transmitida originalmente con una señal parcial reflejada por el receptor. La diferencia entre las dos señales indica entonces la interferencia a la que estuvo expuesta la señal luminosa en su camino a través de la fibra óptica. Al igual que con la supresión de ruido en los auriculares, estas interferencias se pueden anular mediante una adecuada anti señal.

Las deformaciones provocan mínimos cambios de frecuencia

En la transmisión óptica de datos, el "ruido" se produce cuando las fibras ópticas se perturban en meros micrómetros. Esto ocurre en respuesta a las deformaciones de la superficie de la Tierra debido a terremotos, olas de agua, diferencias en la presión del aire y actividad humana. Cada deformación acorta o alarga ligeramente la fibra. Esto, a su vez, conduce a lo que se conoce como efecto fotoelástico, que hace que fluctúe ligeramente la velocidad de la luz en la fibra.

Tanto los cambios en la longitud de la fibra como las fluctuaciones en la velocidad de la luz cambian la frecuencia de la señal luminosa en un pequeño factor. Este fenómeno se conoce desde hace varios años y ya se ha utilizado en instrumentos especiales para medir las vibraciones.

Pero en el caso del sistema de supresión de ruido en la comunicación por fibra óptica de la infraestructura del reloj atómico de Suiza, investigado por los científicos de ETH y METAS, son superfluos estos instrumentos de medición adicionales: las deformaciones se pueden leer fácilmente a partir de la corrección de las señales horarias. De este modo se corrige la longitud de onda de la señal en el rango de los terahercios (1012 oscilaciones por segundo) en unos pocos cientos de hercios, es decir, en aproximadamente una décima de milmillonésima.

medición de PNC

Imagen: Principio de medición y configuración experimental. ( a ) Esquemas de la medición de fase interferométrica para PNC. (b) Geometría del cable de fibra óptica que conecta METAS en Berna con la Universidad de Basilea. Crédito: Informes científicos (2023). DOI: 10.1038/s41598-023-41161-x

Coincidencia exacta con el Servicio Sismológico Suizo

Estos cambios pueden ser pequeños, pero ofrecen una imagen extremadamente clara de las vibraciones a las que están expuestos los cables de fibra óptica durante el período de observación. "Utilizando la PNC de la conexión de fibra óptica entre Basilea y el sitio del reloj atómico en METAS en Berna, pudimos seguir en detalle cada onda de un terremoto de magnitud 3,9 en Alsacia", explica Fichtner. "Pero aún mejor, un modelo del terremoto basado en nuestros datos también correspondía con gran precisión a las mediciones realizadas por el Servicio Sismológico SuizoServicio Sismológico Suizo".

Esta coincidencia casi exacta muestra que los datos de la PNC se pueden utilizar para determinar la ubicación, profundidad y magnitud de un terremoto con un alto grado de precisión. "Esto es especialmente interesante para alertas integrales de tsunamis o para medir terremotos en regiones menos desarrolladas del mundo", afirma Fichtner.

Para Fichtner también es ejemplar la historia de cómo se desarrolló el nuevo método. La idea surgió de una discusión entre investigadores de ETH y un especialista de METAS. Tan pronto como el equipo de ETH-METAS reconoció el potencial de los datos de PNC, implementaron rápidamente la idea.

"Para que surja una ciencia sorprendente, tiene que haber fondos disponibles para actividades de investigación que no persigan un objetivo predefinido", afirma Fichtner. "La ETH es ideal para este tipo de proyectos. A diferencia de muchas otras universidades, aquí como investigador dispongo de fondos ilimitados."

La investigación se ha publicado en Scientific Reports: Long-range fiber-optic earthquake sensing by active phase noise cancellation

Etiquetas: DetecciónTerremotoTsunamiFibra óptica

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