Tres lindas torres de discos duros se encuentran en el escritorio de Shan Dou. Llenos en solo unos meses, contienen unos 500 terabytes de datos sísmicos. Es una cantidad de datos enormemente alucinante para recopilar y procesar, un poco más que la cantidad actualmente almacenada en el repositorio nacional de datos sísmicos, que tiene un archivo que data de 1970.
¿De dónde viene toda esta información? La respuesta está debajo de tus pies: fibra óptica.
Dou es un investigador postdoctoral en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley que trabaja para utilizar los miles de kilómetros de cables de fibra óptica que atraviesan el mundo para utilizarlos en la conciencia del peligro geográfico: monitoreo de deslizamientos de tierra, derrumbes de permafrost, sumideros e incluso cambios en el dióxido de carbono inyectado. Pero en un nuevo estudio, basado en el trabajo fundamental de Dou y publicado el mes pasado en la revista Geophysical Research Letters, los investigadores se centraron en el potencial y la versatilidad de las fibras para detectar un peligro particular: los terremotos.
Para detectar los pequeños temblores en el suelo, los investigadores suelen utilizar instrumentos sensibles llamados sismómetros. Pero cada una de estas unidades puede ser costosa de instalar y difícil de mantener. Y no siempre son factibles de usar, explica Nate Lindsey, estudiante de doctorado en el Laboratorio de Sismología de Berkeley de la Universidad de California y autor principal del nuevo estudio. "Hay áreas donde podría ser importante colocar un sismómetro, estoy pensando en alta mar, estoy pensando en áreas urbanas, donde es ... difícil desde un punto de vista logístico y de seguridad", dice.
Nate Lindsey recorta el cable en la estación de campo de Richmond (Cortesía de Jonathan Ajo-Franklin) Ahí es donde entra la fibra óptica, y las montañas de datos. Miles de líneas de fibra óptica atraviesan nuestro país, incluso extendiéndose a los océanos. Entonces, si los investigadores pueden aprovechar este sistema para el monitoreo de terremotos, ofrece una cantidad de información sin precedentes, dice Dou, quien trabajó con Lindsey en UC Berkeley mientras terminaba su doctorado.
La idea es bastante simple. Muchas compañías de fibra óptica instalan más cables de fibra óptica de los que necesitan, lo que da como resultado un sistema de las llamadas "fibras oscuras" —fibras agrupadas en conductos subterráneos— que podrían emplearse para fines alternativos, como la detección de terremotos. Pero cada una de estas líneas de fibra óptica es imperfecta. Cuando haces pasar una luz por los hilos individuales de fibra óptica, estas imperfecciones en la estructura recuperan una fracción de la luz. Los investigadores pueden colocar lo que se conoce como interferómetro láser en un extremo de la línea para enviar y medir los cambios en estos destellos devueltos, discerniendo compresiones diminutas o extensiones de los cables debido a las vibraciones del suelo.
"Cada metro de fibra óptica en nuestra red actúa como un sensor y su instalación cuesta menos de un dólar", dice Biondo Biondi, geofísico en Stanford y autor del nuevo artículo, en un comunicado de prensa. "Nunca podrá crear una red utilizando sismómetros convencionales con ese tipo de cobertura, densidad y precio".
"Esa es la belleza", explica Dou, "no tenemos que hacer nada especial, solo comprar algo que ya esté ampliamente disponible para las telecomunicaciones".
Pero descubrir exactamente cómo usar esas fibras para la detección de terremotos requiere un poco más de trabajo. Una gran incógnita es la sensibilidad. Este uso de fibra óptica para medir las vibraciones en el suelo surgió de la industria del petróleo y el gas, que usaba las líneas para monitorear tuberías y pozos, haciendo cosas como escuchar el ruido de los vehículos que se acercaban. Pero para estos fines, las fibras ópticas generalmente están "acopladas" o cementadas en el suelo, lo que resulta en una transferencia más eficiente de los gruñidos y sacudidas de la Tierra a las fibras.
"La gente no creía que esto funcionaría", dice Eileen Martin, una estudiante graduada en el laboratorio de Biondi y otra autora del artículo. "Siempre supusieron que una fibra óptica no acoplada generaría demasiado ruido de señal para ser útil". Pero las pruebas iniciales realizadas como una colaboración entre Stanford, UC Berkeley y Berkeley National Lab son prometedoras.
Los investigadores de UC Berkeley han estado trabajando en el uso de fibra óptica para monitorear el subsuelo durante cinco años, registrando ruidos ambientales como pasar automóviles con las fibras para estudiar los cambios en características importantes, como la capa freática. (En septiembre, el equipo publicó este trabajo en colaboración con científicos del Laboratorio de Investigación e Ingeniería de las Regiones Frías del Ejército de EE. UU. En Alaska y la Universidad de Stanford en la revista Scientific Reports . ) Para el nuevo estudio del potencial de fibra óptica para el monitoreo de terremotos, los científicos compararon observaciones de terremotos utilizando tres conjuntos diferentes de fibra óptica, incluidas líneas de fibra óptica enterradas cerca de Fairbanks, Alaska, líneas en forma de L enterradas en Richmond, California, y un circuito de figura 8 instalado en un conducto de telecomunicaciones existente que se encuentra debajo del campus de Stanford.
Jonathan Ajo-Franklin (izquierda) instalando un conjunto experimental de pruebas de fibra óptica en la estación de campo de Richmond. (Cortesía de Jonathan Ajo-Franklin) El equipo ha registrado una variedad de eventos en los tres sistemas. Solo en el circuito de Stanford, los investigadores han catalogado más de 800 temblores desde que comenzó la recopilación de datos en septiembre de 2016, seleccionando las señales en los datos después de que pasaron los eventos. "Podemos verlos desde México, desde Italia, desde Oklahoma ... así como a los más pequeños en el campus de Stanford", dice Biondi.
El mapa muestra la ubicación de un bucle de fibra óptica de 3 millas y figura 8 instalado debajo del campus de Stanford como parte del observatorio sísmico de fibra óptica. (Diseño de estambres y el Museo Victoria and Albert) En general, los resultados son alentadores. Como dice Biondi, "potencialmente todas las piezas están ahí", pero se necesita más trabajo para poner el sistema en acción.
Actualmente, Lindsey y su equipo están probando las capacidades de la fibra óptica en 13 millas de fibra oscura en Sacramento, California, propiedad de la empresa Level 3 Communications, que fue adquirida recientemente por CenturyLink. Están comparando su señal medida con los sismómetros tradicionales.
"La comparación es buena", dice Lindsey. "Hay mucha más investigación por hacer para comprender y aclarar las ventajas y desventajas de la detección de fibra óptica. Pero hay una señal en el sensor de fibra óptica que está por encima del nivel de ruido, y eso es útil". Están preparando un manuscrito sobre este proyecto para presentarlo para su publicación en una revista revisada por pares el próximo mes.
La sensibilidad sigue siendo motivo de preocupación para la aplicación generalizada de la detección de terremotos de fibra óptica. "Por el momento, la fibra tiende a tener una menor sensibilidad que el sismómetro convencional", dice Dou. Otros colegas, señala, actualmente están investigando formas de mejorar las capacidades de detección de fibra óptica. También hay muchas incógnitas sobre las condiciones de instalación de las redes de telecomunicaciones existentes. Pequeños ajustes, como la cantidad de cables de fibra óptica en un conducto, podrían influir en la detección y, por lo tanto, en la capacidad de la fibra para transmitir información precisa sobre terremotos.
Igualmente importante es la necesidad de desarrollar métodos para procesar y analizar cantidades tan grandes de datos en tiempo real. "Es un gran campo de datos para trabajar", dice Lindsey. "Pero espero con ansias el día en que los estudiantes no necesiten maletas de discos duros para resolver este tipo de problema".
Para Clay Kirkendall, un investigador de la Marina que ha trabajado con sensores de fibra óptica durante los últimos 20 años, el costo sigue siendo una preocupación con el nuevo sistema. "Ciertamente, las fibras ya están allí y eso es una gran parte del costo", dice Kirkendall, que no formó parte del estudio. Pero aún necesita un dispositivo para hacer rebotar la luz por las líneas y medir las señales de retorno, y escatimar en este aspecto del sistema podría sacrificar la sensibilidad, dice. No está claro cuánto costarán los interrogadores láser de alta calidad en este momento, pero Biondi espera que a medida que la tecnología avance, el costo de esos sistemas disminuirá.
Si los investigadores pueden resolver esos problemas, la fibra óptica podría ofrecer una solución a los muchos desafíos del monitoreo de terremotos. Esta tecnología podría ser particularmente útil para mejorar los sistemas que advierten a las comunidades de los terremotos cercanos para darles solo una fracción de tiempo extra para prepararse para la sacudida. Los impactos positivos y las fallas de tales redes se enfatizaron a principios de este año en la serie de terremotos de México.
El observatorio sísmico de fibra óptica detectó con éxito el terremoto de magnitud 8.2 que sacudió el centro de México el 8 de septiembre de 2017. (Siyuan Yuan) El Sistema de Alerta Sísmica de México, o SASMEX, es el primer sistema de alerta temprana en notificar al público sobre terremotos pendientes. Una red de sismómetros, el instrumento tradicionalmente utilizado para monitorear terremotos, motear secciones del país, monitorear temblores. Tan pronto como esta red registra algo lo suficientemente grande como para una posible preocupación, la advertencia se apaga, lo que puede proporcionar desde segundos hasta un minuto completo de aviso sobre la sacudida entrante.
Lindsey enfatiza que la idea no es reemplazar los sistemas existentes ("en el mejor de los casos [la fibra óptica] podría no ser tan bueno como el mejor sismómetro", señala), sino mejorarlos. "Vemos la sismología de fibra óptica como una excelente manera de complementar las técnicas de alerta temprana de terremotos, que se están construyendo ahora en todo el planeta", dice.
Aunque todavía queda mucho trabajo por hacer para que esto suceda, equipos de investigadores y muchas universidades están en el caso. "Este es realmente un esfuerzo colectivo más grande", dice Dou, y señala que un equipo de CalTech está trabajando en proyectos similares de fibra oscura.
"Es un campo en rápido desarrollo, y tenemos la suerte de estar en una posición pionera", dice ella.
